ES2978091T3 - Multicomponent polymeric resin, methods for applying the same and composite laminated structure including the same base - Google Patents
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Abstract
Las realizaciones divulgadas en este documento se refieren a resinas poliméricas que tienen un primer termoendurecible y uno o más componentes adicionales (por ejemplo, un segundo termoendurecible y/o un termoplástico), laminados compuestos que los incluyen, métodos para fabricarlos y utilizarlos, y estructuras de laminados compuestos que los incluyen. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The achievements disclosed in this document relate to polymer resins having a thermoset primer and one or more additional components (for example, a second thermoset primer and/or a thermoplastic), composite laminates including them, methods for manufacturing and using them, and structures of composite laminates including them. (Automatic translation using Google Translate, not legally binding)
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Resina polimérica multicomponente, métodos para aplicar la misma y estructura laminada compuesta que incluye el mismo fondo Multicomponent polymeric resin, methods for applying the same and composite laminated structure including the same base
La producción de alto volumen de piezas estructurales se centra en materiales de bajo costo y bajos costos de ensamblaje, pero inicialmente puede requerir una inversión a largo plazo de alto capital en herramientas y equipos. Sin embargo, es posible que el gran volumen de producción no se adapte fácilmente a las variaciones de diseño. High-volume production of structural parts focuses on low-cost materials and low assembly costs, but may initially require a long-term, high-capital investment in tooling and equipment. However, high production volume may not easily accommodate design variations.
Actualmente, la producción de piezas en bajo volumen implica bajos gastos de capital, materiales caros y elevados costes de montaje, por ejemplo, componentes de aluminio. En general, la producción de bajo volumen sigue siendo muy cara. Currently, low-volume production of parts involves low capital expenditure, expensive materials and high assembly costs, for example aluminium components. In general, low-volume production is still very expensive.
Es deseable producir compuestos livianos, fuertes y rígidos para fabricar un componente estructural, tal como un chasis, paneles para equipos de comunicación, marcos o partes de carrocería para transporte o vehículos (por ejemplo, bicicletas, motos, camiones, etc.), aplicaciones de agricultura (por ejemplo, equipo de agricultura), aplicaciones relacionadas con la energía (por ejemplo, energía eólica, solar), aplicaciones satelitales, aplicaciones aeroespaciales, materiales de construcción (por ejemplo, materiales de construcción y similares) y productos de consumo (por ejemplo, muebles, asientos de inodoro y productos electrónicos, entre otros). It is desirable to produce lightweight, strong and rigid composites for manufacturing a structural component, such as a chassis, panels for communication equipment, frames or body parts for transportation or vehicles (e.g., bicycles, motorcycles, trucks, etc.), agricultural applications (e.g., farming equipment), energy-related applications (e.g., wind, solar energy), satellite applications, aerospace applications, construction materials (e.g., building materials and the like), and consumer products (e.g., furniture, toilet seats, and electronics, among others).
Es deseable producir componentes compuestos ligeros y resistentes con buena absorción de energía para fabricar un chasis o un componente de carrocería, tal como el capó de un automóvil u otro panel de carrocería. Los componentes de la carrocería pueden diseñarse para proporcionar absorción de energía durante un accidente automovilístico. Por razones de seguridad, el capó del automóvil o los componentes de la carrocería pueden diseñarse para tener algunas características de amortiguación o absorción de energía. It is desirable to produce lightweight, strong composite components with good energy absorption for manufacturing a chassis or body component, such as an automobile hood or other body panel. Body components may be designed to provide energy absorption during an automobile accident. For safety reasons, the automobile hood or body components may be designed to have some damping or energy absorption characteristics.
Los componentes compuestos para el transporte (por ejemplo, auto, camión o cualquier vehículo), equipos agriculturales, los equipos de construcción o las industrias aeroespaciales pueden mejorar significativamente la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de carbono. El compuesto puede incluir fibras de carbono o fibras de vidrio. Las fibras de carbono pueden ser más rígidas, más fuertes y menos pesadas que las fibras de vidrio, pero generalmente pueden ser más caras. Los componentes reforzados con fibra de carbono pueden ser aproximadamente un 20% más ligeros que los componentes de aluminio y aproximadamente un 50% más ligeros que algunos componentes de acero. Los compuestos reforzados con fibra de carbono pueden tener una mayor proporción resistencia-peso o rigidez-peso que el aluminio y el acero. Composite components for transportation (e.g., car, truck, or any vehicle), agricultural equipment, construction equipment, or aerospace industries can significantly improve fuel efficiency and reduce carbon emissions. The composite may include carbon fibers or glass fibers. Carbon fibers can be stiffer, stronger, and less heavy than glass fibers, but they can generally be more expensive. Carbon fiber-reinforced components can be about 20% lighter than aluminum components and about 50% lighter than some steel components. Carbon fiber-reinforced composites can have a higher strength-to-weight or stiffness-to-weight ratio than aluminum and steel.
Actualmente, los componentes compuestos suelen fabricarse mediante procesos convencionales, incluido el moldeo por transferencia de resina (RTM, por sus siglas en inglés) a alta presión. Los componentes compuestos también pueden estar formados por fibras preimpregnadas (“prepreg”) y pueden requerir un horno o autoclave para curar el preimpregnado. Tradicionalmente, los componentes compuestos reforzados con fibra de carbono no tienen costo competitivo en comparación con los componentes metálicos por varias razones. En primer lugar, el RTM de alta presión puede requerir equipos relativamente costosos y alta presión para hacer fluir una resina polimérica para impregnar las fibras y reducir los defectos de la superficie (por ejemplo, agujeros de alfiler o porosidad no deseada). A pesar de la aplicación de alta presión de la resina, la superficie aún puede tener agujeros de alfiler o defectos superficiales. Una superficie con tales defectos puede no presentar el acabado superficial deseado o no ser cosméticamente deseable. Tales defectos superficiales también pueden dificultar el pintado de la superficie compuesta. En segundo lugar, el RTM de alta presión También puede requerir tiempos de ciclo más largos para fabricar un componente compuesto en comparación con los componentes metálicos. Por ejemplo, los tiempos del ciclo de producción de piezas de fibra de carbono; incluido calentar, curar y enfriar el componente compuesto, puede tardar unos 45 minutos o más en comparación con segundos para piezas de acero o aluminio. En tercer lugar, el costo del material puede ser alto para las fibras de carbono vírgenes, y el desperdicio de fibra del RTM también puede ser muy alto. Por ejemplo, cuando se fabrica un componente compuesto con forma o geometría complicada, se puede desperdiciar hasta el 40% de las fibras de carbono originales. Además, el rendimiento de producción de las piezas RTM es relativamente bajo en comparación con el de las piezas metálicas debido a defectos superficiales. Currently, composite components are typically manufactured using conventional processes, including high-pressure resin transfer molding (RTM). Composite components may also be comprised of preimpregnated fibers (“prepreg”) and may require an oven or autoclave to cure the prepreg. Traditionally, carbon fiber-reinforced composite components are not cost-competitive compared to metal components for several reasons. First, high-pressure RTM may require relatively expensive equipment and high pressure to flow a polymeric resin to impregnate the fibers and reduce surface defects (e.g., pinholes or unwanted porosity). Despite the high-pressure application of the resin, the surface may still have pinholes or surface defects. A surface with such defects may not exhibit the desired surface finish or be cosmetically undesirable. Such surface defects may also make painting the composite surface difficult. Second, high-pressure RTM can also require longer cycle times to manufacture a composite component compared to metal components. For example, production cycle times for carbon fiber parts – including heating, curing, and cooling the composite component – can take about 45 minutes or more compared to seconds for steel or aluminum parts. Third, material cost can be high for virgin carbon fibers, and fiber waste from RTM can also be very high. For example, when manufacturing a composite component with complicated shape or geometry, up to 40% of the original carbon fibers can be wasted. In addition, the production yield of RTM parts is relatively low compared to that of metal parts due to surface defects.
Los fabricantes continúan buscando materiales alternativos de bajo costo, herramientas de bajo costo y tiempos de ciclo más rápidos para reducir el costo de producción de componentes compuestos. Manufacturers continue to look for low-cost alternative materials, low-cost tooling, and faster cycle times to reduce the cost of producing composite components.
El documento EP0478033 da a conocer un proceso para fabricar un panel sándwich impregnado de aminoplasto que consta de un panal y un revestimiento mediante un autoclave, caracterizado porque al menos uno del panal y el revestimiento está impregnado con aminoplasto y el panel sándwich se coloca en un autoclave bajo un lámina de material flexible, cuyo material flexible es al menos parcialmente hermético a los gases y está sellado en sus bordes, sobre cuyo material flexible se aplica una primera presión y bajo cuyo material flexible se aplica una segunda presión, que es inferior a la primera presión por la que la segunda presión es al menos tan alta como la presión de vapor del agua a la temperatura de curado del aminoplasto. Los paneles sándwich de panal fabricados aplicando un proceso según la invención son particularmente adecuados para ser utilizados en aplicaciones con altas exigencias impuestas con respecto a resistencia y rigidez en combinación con altas exigencias con respecto a la resistencia al fuego. Algunos ejemplos son aviones, construcción de viviendas, trenes, vehículos automotores y barcos. EP0478033 discloses a process for manufacturing an aminoplast impregnated sandwich panel consisting of a honeycomb and a skin by means of an autoclave, characterized in that at least one of the honeycomb and the skin is impregnated with aminoplast and the sandwich panel is placed in an autoclave under a sheet of flexible material, which flexible material is at least partially gas-tight and sealed at its edges, on which flexible material a first pressure is applied and under which flexible material a second pressure is applied, which is lower than the first pressure whereby the second pressure is at least as high as the vapour pressure of water at the curing temperature of the aminoplast. Honeycomb sandwich panels manufactured by applying a process according to the invention are particularly suitable for use in applications with high demands imposed with respect to strength and stiffness in combination with high demands with respect to fire resistance. Examples are aircraft, housing construction, trains, motor vehicles and ships.
Resumen Summary
Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren a métodos para aplicar la resina polimérica para formar estructuras tipo sándwich compuestas reforzadas con fibras y estructuras compuestas reforzadas con fibras. The embodiments described herein relate to methods for applying the polymeric resin to form fiber-reinforced composite sandwich structures and fiber-reinforced composite structures.
En una realización, un método para formar una estructura laminada compuesta es divulgado según la reivindicación 1 En una realización, se divulga una estructura laminada compuesta según la reivindicación 16. In one embodiment, a method for forming a composite laminate structure is disclosed according to claim 1. In one embodiment, a composite laminate structure is disclosed according to claim 16.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
Los dibujos ilustran varias realizaciones, donde los números de referencia idénticos se refieren a elementos o características idénticos o similares en diferentes vistas o realizaciones mostradas en los dibujos. The drawings illustrate various embodiments, where identical reference numbers refer to identical or similar elements or features in different views or embodiments shown in the drawings.
FIG. 1A es un diagrama de un recipiente a presión para calentar y pulverizar una resina polimérica según una realización no cubierta por la materia de las reivindicaciones. FIG. 1A is a diagram of a pressure vessel for heating and spraying a polymeric resin according to an embodiment not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 1B es el diagrama del contenedor de la FIG. 1A antes de mezclar la resina polimérica y el endurecedor. FIG. 1B is the diagram of the container of FIG. 1A before mixing the polymer resin and hardener.
FIG. 2 es una vista isométrica del recipiente a presión de la FIG. 1A, según una realización no cubierta por la materia de las reivindicaciones. FIG. 2 is an isometric view of the pressure vessel of FIG. 1A, according to an embodiment not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 3 es una vista isométrica de un contenedor de la FIG. 1A que contiene una resina polimérica que incluye un endurecedor, según una realización no cubierta por la materia de las reivindicaciones. FIG. 3 is an isometric view of a container of FIG. 1A containing a polymeric resin including a hardener, according to an embodiment not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 4 es un diagrama de flujo de un método para pulverizar una resina polimérica según una realización no cubierta por la materia de las reivindicaciones. FIG. 4 is a flow chart of a method for spraying a polymeric resin according to an embodiment not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 5 es un esquema de un dispositivo para formar láminas de fibras recicladas según una realización no cubierta por la materia de las reivindicaciones. FIG. 5 is a schematic of a device for forming sheets of recycled fibers according to an embodiment not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 6 es una fotografía de las láminas de fibra de la FIG. 5 después de punzonar de acuerdo con realizaciones no cubiertas por la materia de las reivindicaciones. FIG. 6 is a photograph of the fiber sheets of FIG. 5 after needling in accordance with embodiments not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 7 es una fotografía de las láminas de fibra de la FIG. 5 con una malla entre dos láminas de fibras de acuerdo con realizaciones no cubiertas por la materia de las reivindicaciones. FIG. 7 is a photograph of the fiber sheets of FIG. 5 with a mesh between two fiber sheets according to embodiments not covered by the subject matter of the claims.
FIG. 8 es una fotografía de un sándwich compuesto que incluye un núcleo hecho de pajitas para beber de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación. FIG. 8 is a photograph of a composite sandwich including a core made of drinking straws in accordance with embodiments of the present disclosure.
FIG. 9 es una vista en sección transversal de un sándwich compuesto según una realización. FIG. 9 is a cross-sectional view of a composite sandwich according to one embodiment.
FIG. 10 es una vista en sección transversal de un sándwich compuesto según una realización. FIG. 10 is a cross-sectional view of a composite sandwich according to one embodiment.
FIG. 11 es una vista en sección transversal de un componente formado por un sándwich compuesto, un inserto metálico y reforzado con un NCF según una realización. FIG. 11 is a cross-sectional view of a component formed by a composite sandwich, a metal insert and reinforced with an NCF according to one embodiment.
FIG. 12 Es un diagrama de flujo para un método para formar un sándwich compuesto según una realización. FIG. 12 is a flow chart for a method of forming a composite sandwich according to one embodiment.
FIG. 13 Es un diagrama de flujo para un método para formar un sándwich compuesto según una realización. FIG. 13 is a flow chart for a method of forming a composite sandwich according to one embodiment.
Descripción detallada Detailed description
Las realizaciones descritas en el presente documento se refieren a resinas poliméricas que tienen un primer termoestable y uno o más componentes adicionales (por ejemplo, un segundo termoestable y/o un termoplástico), laminados compuestos que incluyen los mismos, métodos de fabricación y uso de los mismos, y realización según la invención de estructuras laminadas compuestas que incluyen los mismos. Las realizaciones descritas en el presente documento proporcionan una resina polimérica que incluye una mezcla líquida o una mezcla de un primer termoestable (por ejemplo, un poliuretano) y al menos un segundo termoestable (por ejemplo, un epoxi) y/u otro material polimérico tal como uno o más termoplásticos. Las resinas poliméricas suelen estar en forma líquida antes del curado y se vuelven sólidas después del curado, que es un proceso de reticulación. La resina polimérica puede incluir uno o más endurecedores para catalizar el curado de uno o más componentes de la resina. Las resinas poliméricas se pueden utilizar como adhesivos. Se pueden usar dos o más termoestables para formar una estructura laminada compuesta, tal como un laminado compuesto de fibra de carbono. Los laminados compuestos pueden incluir una o más capas de resina polimérica sobre, o al menos parcialmente incorporadas en, una lámina o estera de fibra. The embodiments described herein relate to polymeric resins having a first thermoset and one or more additional components (e.g., a second thermoset and/or a thermoplastic), composite laminates including the same, methods of making and using the same, and embodiments according to the invention of composite laminate structures including the same. The embodiments described herein provide a polymeric resin that includes a liquid mixture or blend of a first thermoset (e.g., a polyurethane) and at least one second thermoset (e.g., an epoxy) and/or another polymeric material such as one or more thermoplastics. Polymeric resins are typically in liquid form prior to curing and become solid after curing, which is a crosslinking process. The polymeric resin may include one or more hardeners to catalyze the curing of one or more components of the resin. Polymeric resins may be used as adhesives. Two or more thermosets may be used to form a composite laminate structure, such as a carbon fiber composite laminate. Composite laminates may include one or more layers of polymeric resin on, or at least partially incorporated into, a fiber sheet or mat.
La resina polimérica tiene una viscosidad baja a temperaturas elevadas, de modo que la resina polimérica se puede pulverizar a una presión baja, tal como menos de 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi). The polymer resin has a low viscosity at high temperatures, so the polymer resin can be sprayed at a low pressure, such as less than 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi).
La resina polimérica también puede formar microespumas durante el curado. Las microespumas pueden adherirse a materiales relativamente más rígidos (por ejemplo, plásticos) bien, especialmente cuando los materiales tienen una pequeña superficie de unión, por ejemplo, extremos abiertos de celdas como tubos(por ejemplo,tubos de plástico) como se analiza con más detalle a continuación. Polymeric resin can also form microfoams during curing. Microfoams can adhere to relatively stiffer materials (e.g. plastics) well, especially when the materials have a small bonding surface, for example open ends of cells such as tubes (e.g. plastic pipes) as discussed in more detail below.
Como se analiza con mayor detalle a continuación, la resina polimérica se puede usar para formar sándwiches compuestos que incluyen un núcleo "duro" o un núcleo "blando". El núcleo "duro" puede transferir efectivamente la carga desde un extremo del núcleo al otro extremo del núcleo. Por ejemplo, el núcleo "duro" puede formarse a partir de un núcleo en bruto que incluye uno o más materiales plásticos y puede incluir una pluralidad de celdas que tienen extremos abiertos (por ejemplo, tubos de plástico sustancialmente paralelos muy empaquetados). La pluralidad de celdas puede estar definida al menos parcialmente por una o más paredes de celda correspondientes (por ejemplo, el material plástico puede definir una estructura similar a un panal, donde las celdas pueden tener cualquier número de formas adecuadas). En algunas realizaciones, las celdas comprimibles del núcleo en bruto pueden estar formadas o definidas por tubos o pajitas. En algunas realizaciones, las celdas pueden ser tubos, como pajitas para beber(por ejemplo,cada pajita puede definir una celda correspondiente del núcleo y los núcleos adyacentes pueden definir celdas adicionales en los huecos o espacios entre ellos). Las pajitas de plástico, que se fabrican comercialmente con policarbonato a un coste muy bajo, pueden fijarse entre sí en una disposición generalmente paralela. El núcleo duro puede incluir alternativa o adicionalmente una espuma de alta densidad. El núcleo duro puede proporcionar una alta rigidez a la flexión para el sándwich compuesto. En el caso de las celdas, más específicamente tubos de plástico, el núcleo puede tener una pluralidad de celdas o tubos, teniendo cada uno de ellos extremos abiertos. El núcleo "duro" puede aumentar la rigidez a la flexión del sándwich compuesto más que el núcleo "blando". As discussed in greater detail below, the polymeric resin can be used to form composite sandwiches that include a "hard" core or a "soft" core. The "hard" core can effectively transfer load from one end of the core to the other end of the core. For example, the "hard" core can be formed from a blank core that includes one or more plastic materials and can include a plurality of cells having open ends (e.g., closely packed substantially parallel plastic tubes). The plurality of cells can be at least partially defined by one or more corresponding cell walls (e.g., the plastic material can define a honeycomb-like structure, where the cells can have any number of suitable shapes). In some embodiments, the compressible cells of the blank core can be formed or defined by tubes or straws. In some embodiments, the cells may be tubes, such as drinking straws (e.g., each straw may define a corresponding cell of the core and adjacent cores may define additional cells in the gaps or spaces between them). Plastic straws, which are commercially manufactured from polycarbonate at very low cost, may be secured together in a generally parallel arrangement. The hard core may alternatively or additionally include a high-density foam. The hard core may provide high flexural rigidity for the composite sandwich. In the case of cells, more specifically plastic tubes, the core may have a plurality of cells or tubes, each having open ends. The "hard" core may increase the flexural rigidity of the composite sandwich more than the "soft" core.
Se pueden encontrar más detalles sobre los núcleos adecuados que se pueden usar en cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento en la Solicitud Internacional PCT Núm .------titulada "Sándwich compuesto con alta rigidez a la flexión y peso ligero" y presentada simultáneamente con la presente (que reivindica prioridad a la solicitud de patente provisional de EE.UU. Núm. 62/007,614 (expediente del abogado Núm. P243720.U.S.01), titulada "Sándwich compuesto con alta rigidez a la flexión y peso ligero", presentado el 4 de junio de 2014). El núcleo del sándwich compuesto puede incluir un manojo de tubos de plástico, como pajitas para beber, y puede ser adecuado para fabricar componentes de automóviles, como un chasis. Further details regarding suitable cores that may be used in any of the embodiments described herein can be found in PCT International Application No. ------entitled "Composite Sandwich With High Flexural Stiffness And Light Weight" and filed concurrently herewith (claiming priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/007,614 (Attorney Docket No. P243720.U.S.01), entitled "Composite Sandwich With High Flexural Stiffness And Light Weight," filed June 4, 2014). The core of the composite sandwich may include a bundle of plastic tubes, such as drinking straws, and may be suitable for manufacturing automotive components, such as a chassis.
El núcleo "duro", tal como el formado por celdas plásticas de extremos abiertos, tales como tubos o pajitas para beber, puede ser difícil de unir al laminado compuesto(por ejemplo,una o más capas de laminado compuesto formando una sola capa sobre el núcleo) utilizando un epoxi convencional. Por ejemplo, es más probable que el laminado compuesto se desprenda del núcleo "duro" cuando se utiliza un epoxi convencional. Las resinas poliméricas según las realizaciones descritas en el presente documento resuelven el problema de desprendimiento del sándwich compuesto que incluye un núcleo "duro" proporcionando suficiente adhesión al mismo (por ejemplo, mediante una mayor adhesión con microespumas formadas por la mezcla de polímero/epóxido que puede extenderse al menos parcialmente en las células a través de los extremos abiertos). The "hard" core, such as that formed by open-ended plastic cells such as drinking straws or tubes, can be difficult to bond to the composite laminate (e.g., one or more layers of composite laminate forming a single layer over the core) using a conventional epoxy. For example, the composite laminate is more likely to peel off the "hard" core when a conventional epoxy is used. The polymeric resins according to the embodiments described herein solve the peeling problem of the composite sandwich that includes a "hard" core by providing sufficient adhesion thereto (e.g., by increased adhesion with microfoams formed by the polymer/epoxy mixture that can extend at least partially into the cells through the open ends).
Por el contrario, un núcleo "blando" puede no transferir la carga desde un extremo del núcleo al extremo opuesto del núcleo cuando se aplica una carga sobre un extremo del núcleo; por ejemplo, el núcleo "blando" puede estar formado a partir de cartones, o cartulinas, o espumas de baja densidad, y similares. El núcleo "blando" puede absorber más energía o impactar verticalmente que el núcleo "duro" (por ejemplo, en una dirección sustancialmente perpendicular a los laminados compuestos) asumiendo que el impacto es a lo largo de un eje Z (por ejemplo, generalmente perpendicular a la cara del compuesto laminado). El núcleo "duro" puede absorber más energía horizontalmente, como a lo largo del plano de los laminados compuestos(por ejemplo,en un plano XY) que es perpendicular al eje Z. El sándwich compuesto, incluidos los cartones, se puede utilizar para capós de automóviles, paneles de superficie(por ejemplo,paneles de superficie de clase A que tienen poros o porosidad mínimos), aplicaciones aeroespaciales o productos de consumo(por ejemplo,muebles), o materiales de construcción o aplicaciones similares donde se desee la absorción de energía. El proceso de fabricación puede ser diferente para el sándwich compuesto de núcleo "blando" del sándwich compuesto de núcleo "duro", porque el núcleo "blando" no transfiere una carga que tenga un vector sustancialmente perpendicular al núcleo así como el núcleo "duro". Los detalles sobre aparatos y métodos para fabricar sándwich compuesto con un núcleo "blando" se describen en la Solicitud Internacional PCT Núm.-------(Expediente del Abogado Núm. 44353WO01_496714-23), titulada "Estructura compuesta que exhibe absorción de energía y/o Incluyendo una superficie libre de defectos", que se presenta simultáneamente con el presente. In contrast, a "soft" core may not transfer load from one end of the core to the opposite end of the core when a load is applied to one end of the core; for example, the "soft" core may be formed from paperboard, or cardboard, or low-density foams, and the like. The "soft" core may absorb more energy or impact vertically than the "hard" core (e.g., in a direction substantially perpendicular to the composite laminates) assuming the impact is along a Z-axis (e.g., generally perpendicular to the face of the laminated composite). The "hard" core can absorb more energy horizontally, such as along the plane of the composite laminates (e.g., in an XY plane) that is perpendicular to the Z axis. The composite sandwich, including paperboards, can be used for automotive hoods, surface panels (e.g., Class A surface panels having minimal pores or porosity), aerospace applications or consumer products (e.g., furniture), or building materials or similar applications where energy absorption is desired. The manufacturing process may be different for the "soft" core composite sandwich from the "hard" core composite sandwich, because the "soft" core does not transfer a load having a vector substantially perpendicular to the core as well as the "hard" core. Details regarding apparatus and methods for manufacturing composite sandwiches with a "soft" core are described in PCT International Application No. -------(Attorney Docket No. 44353WO01_496714-23), entitled "Composite Structure Exhibiting Energy Absorption and/or Including a Defect-Free Surface," which is filed concurrently herewith.
Composición de la resina Resin composition
Según una o más realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir una mezcla de uno o más termoestables que tienen una viscosidad relativamente baja y uno o más termoestables y/o uno o más termoplásticos que tienen una viscosidad relativamente alta, según la invención, la mezcla incluye un poliuretano con un epoxi. La mezcla puede tener una viscosidad relativamente baja (por ejemplo, aproximadamente 40 mPa s o menos) a temperatura ambiente. En algunas realizaciones, explicadas con más detalle a continuación, la resina polimérica puede incluir uno o más de al menos un endurecedor, al menos un material metálico del Grupo VIII, al menos un material de carga o al menos un termoplástico. La baja viscosidad de la resina polimérica puede deberse principalmente al termoestable de baja viscosidad (por ejemplo, un poliuretano, tal como VITROX proporcionado por Huntsman Polyurtanes que tiene una viscosidad de aproximadamente 0,15 Pa s (150 centipoises) a temperatura ambiente), porque el otro termoestable de alta viscosidad (por ejemplo, epoxi EP05475 proporcionado por Momentive) generalmente tiene una viscosidad relativamente mayor que el termoestable de baja viscosidad. La viscosidad del poliuretano puede ser de aproximadamente 30-40 mPa-s, y la viscosidad del epoxi puede ser de aproximadamente 50-70 mPa-s (o en un caso especial de aproximadamente 15 mPa-s (para VoraForce 5300 de Dow)). Las resinas poliméricas descritas en el presente documento pueden tener tiempos de curado relativamente cortos mientras exhiben una contracción relativamente pequeña (por ejemplo, por debajo de aproximadamente el 3%). El epoxi EP05475 tiene un tiempo de curado de 5 minutos a 120 °C y una Tg de aproximadamente 120 °C, mientras que el tiempo de curado del poliuretano puede ser de aproximadamente 1 hora o más y una Tg inferior a aproximadamente 250 °C. Como se usa en el presente documento, el término "curar" o "curado" incluye los significados de curar o curar al menos parcial o totalmente. According to one or more embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin may include a mixture of one or more thermosets having a relatively low viscosity and one or more thermosets and/or one or more thermoplastics having a relatively high viscosity, according to the invention, the mixture includes a polyurethane with an epoxy. The mixture may have a relatively low viscosity (e.g., about 40 mPa s or less) at room temperature. In some embodiments, explained in more detail below, the polymeric resin may include one or more of at least one hardener, at least one Group VIII metallic material, at least one filler material or at least one thermoplastic. The low viscosity of the polymeric resin may be mainly due to the low viscosity thermoset (e.g., a polyurethane, such as VITROX provided by Huntsman Polyurtanes which has a viscosity of about 0.15 Pa s (150 centipoise) at room temperature), because the other high viscosity thermoset (e.g., EP05475 epoxy provided by Momentive) generally has a relatively higher viscosity than the low viscosity thermoset. The viscosity of the polyurethane may be about 30-40 mPa-s, and the viscosity of the epoxy may be about 50-70 mPa-s (or in a special case about 15 mPa-s (for VoraForce 5300 from Dow)). The polymeric resins described herein may have relatively short cure times while exhibiting relatively small shrinkage (e.g., below about 3%). EP05475 epoxy has a cure time of 5 minutes at 120°C and a Tg of about 120°C, while the polyurethane cure time may be about 1 hour or more and a Tg less than about 250°C. As used herein, the term "cure" or "cured" includes the meanings of curing or at least partially or fully cured.
Un termoestable de poliuretano puede proporcionar una o más de una resistencia deseada a la flexión, resiliencia, baja viscosidad o capacidad de formación de espuma (por ejemplo, capacidad de formar microespumas durante la formación de estructuras laminadas compuestas) a la resina polimérica. Un termoestable epoxi puede proporcionar un perfil deseado de absorción de energía o falla mecánica a la resina polimérica, como rotura frágil a lo largo de un vector de fuerza paralelo a la superficie de la pieza. El termoestable epoxi puede proporcionar un carácterresistente alagua (por ejemplo, hermético) al laminado compuesto resultante o una mejor capacidad de transferencia de carga (por ejemplo, una superficie más dura). A polyurethane thermoset may provide one or more of a desired flexural strength, resilience, low viscosity, or foaming capability (e.g., ability to form microfoams during formation of composite laminate structures) to the polymer resin. An epoxy thermoset may provide a desired energy absorption or mechanical failure profile to the polymer resin, such as brittle fracture along a force vector parallel to the part surface. The epoxy thermoset may provide a water-resistant (e.g., airtight) character to the resulting composite laminate or improved load transfer capability (e.g., a harder surface).
En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir al menos un agente de curado o endurecedor, el endurecedor puede configurarse para causar que uno o más componentes de la resina polimérica se curen. Por ejemplo, cuando la resina polimérica incluye epoxi y poliuretano, la resina polimérica puede incluir un endurecedor para uno o ambos del epoxi o del poliuretano. Los endurecedores adecuados para epoxis y poliuretanos pueden incluir cualquiera de los conocidos por curar los epoxis y poliuretanos descritos en el presente documento. Por ejemplo, al menos un endurecedor puede incluir endurecedores a base de aminas para epoxis y endurecedores que contienen poliisocianatos para poliuretanos. El agente de curado o endurecedor puede estar presente en la resina polimérica en una proporción de aproximadamente 1:100 a aproximadamente 1:3 partes de agente de curado o endurecedor por parte de resina polimérica o componente de la misma. En algunas realizaciones, el endurecedor puede estar compuesto para comenzar a curar a aproximadamente 50 °C o más, tal como aproximadamente 50 °C a aproximadamente 150 °C, aproximadamente 70 °C a aproximadamente 120 °C, o aproximadamente 70 °C a aproximadamente 90 °C, o aproximadamente 70 °C o más. In some embodiments, the polymeric resin can include at least one curing agent or hardener, the hardener can be configured to cause one or more components of the polymeric resin to cure. For example, when the polymeric resin includes epoxy and polyurethane, the polymeric resin can include a hardener for one or both of the epoxy or the polyurethane. Suitable hardeners for epoxies and polyurethanes can include any of those known to cure the epoxies and polyurethanes described herein. For example, at least one hardener can include amine-based hardeners for epoxies and polyisocyanate-containing hardeners for polyurethanes. The curing agent or hardener can be present in the polymeric resin in a ratio of about 1:100 to about 1:3 parts of curing agent or hardener per part of polymeric resin or component thereof. In some embodiments, the hardener may be composed to begin curing at about 50°C or higher, such as about 50°C to about 150°C, about 70°C to about 120°C, or about 70°C to about 90°C, or about 70°C or higher.
En algunas realizaciones, la resina polimérica también puede incluir una mezcla de uno o más termoestables y un termoplástico, tal como una mezcla de fibras epoxi y termoplásticas, o una mezcla de poliuretano y fibras termoplásticas, o una combinación de los anteriores. El termoplástico puede incluirse para proporcionar dureza o resiliencia a la pieza compuesta curada. Los termoplásticos adecuados pueden incluir uno o más de un polipropileno, un policarbonato, polietileno, sulfuro de polifenileno, poliéter éter cetona (PEEK, por sus siglas en inglés) u otra poliariletercetona, o un acrílico. El termoplástico puede representar aproximadamente del 1 % a aproximadamente el 20 % de la resina polimérica en volumen. La resina polimérica también puede incluir un termoestable con baja viscosidad, tal como poliuretano. La resina polimérica también puede incluir un termoestable con una viscosidad relativamente alta, tal como epoxi, que puede calentarse para reducir la viscosidad para la pulverización utilizando un recipiente a presión o cabezales pulverizadores comerciales. In some embodiments, the polymeric resin may also include a blend of one or more thermosets and a thermoplastic, such as a blend of epoxy and thermoplastic fibers, or a blend of polyurethane and thermoplastic fibers, or a combination of the foregoing. The thermoplastic may be included to provide toughness or resilience to the cured composite part. Suitable thermoplastics may include one or more of a polypropylene, a polycarbonate, polyethylene, polyphenylene sulfide, polyetheretherketone (PEEK) or other polyaryletherketone, or an acrylic. The thermoplastic may represent about 1% to about 20% of the polymeric resin by volume. The polymeric resin may also include a thermoset with a low viscosity, such as polyurethane. The polymeric resin may also include a thermoset with a relatively high viscosity, such as epoxy, which may be heated to reduce the viscosity for spraying using a pressure vessel or commercial spray heads.
La resina polimérica puede tener una mejor capacidad de transferencia de carga y un rendimiento mecánico mejorado, incluyendo mayor rigidez, resistencia, módulo y dureza, entre otros, que las resinas que contienen solo poliuretano o solo epoxi. La resina polimérica también puede tener una baja contracción en volumen desde el estado líquido sin curar hasta el estado sólido curado igual o menor que 3% durante el curado, tal como aproximadamente 1,5% a aproximadamente 3%, aproximadamente 2% a aproximadamente 3%, aproximadamente 2,5% a aproximadamente 3%, o aproximadamente 2,5%. La baja contracción permite un mejor control dimensional de los componentes compuestos terminados. The polymeric resin may have better load transfer capability and improved mechanical performance, including higher stiffness, strength, modulus, and toughness, among others, than resins containing only polyurethane or only epoxy. The polymeric resin may also have a low volume shrinkage from the uncured liquid state to the cured solid state equal to or less than 3% during curing, such as about 1.5% to about 3%, about 2% to about 3%, about 2.5% to about 3%, or about 2.5%. The low shrinkage allows for better dimensional control of the finished composite components.
El epoxi generalmente tiene una vida útil más corta que el poliuretano. En algunas realizaciones, el epoxi se puede mezclar unas pocas horas antes de su uso. Por el contrario, el poliuretano generalmente tiene una vida útil más larga que el epoxi, se basa en la química de isocianato y puede tener una vida útil ajustable y capacidades de curado rápido. En algunas realizaciones, el poliuretano o el epoxi pueden incluir uno o más componentes retardantes del fuego. Por ejemplo, la resina polimérica puede incluir un epoxi fenólico o equivalentes del mismo. Epoxy generally has a shorter pot life than polyurethane. In some embodiments, the epoxy may be mixed a few hours before use. In contrast, polyurethane generally has a longer pot life than epoxy, is based on isocyanate chemistry, and may have adjustable pot life and rapid cure capabilities. In some embodiments, the polyurethane or epoxy may include one or more fire retardant components. For example, the polymeric resin may include a phenolic epoxy or equivalents thereof.
La resina polimérica, tal como la mezcla de poliuretano y epoxi, puede ser resistente al agua después del curado debido a las propiedades de uno o más de los materiales que contiene. Generalmente, un termoestable (por ejemplo, microespumas de poliuretano) pueden tener permeabilidad al agua, mientras que otras termoestables (por ejemplo, epoxi) puede ser resistente al agua. Por lo tanto, la mezcla puede ser resistente al agua o estar sellada contra el agua cuando se usa el termoestable resistente al agua en cantidad suficiente. Por ejemplo, cuando la cantidad de epoxi en una resina de poliuretano/polímero epoxi es superior a aproximadamente el 28 % en volumen (por ejemplo, 30 % en volumen), la mezcla puede presentar un carácter sustancialmente resistente al agua. Polymer resin, such as a mixture of polyurethane and epoxy, may be water-resistant after curing due to the properties of one or more of the materials it contains. Generally, a thermoset (e.g., polyurethane microfoams) may have water permeability, while other thermosets (e.g., epoxy) may be water-resistant. Therefore, the mixture may be water-resistant or water-sealed when the water-resistant thermoset is used in sufficient amount. For example, when the amount of epoxy in a polyurethane resin/epoxy polymer is more than about 28% by volume (e.g., 30% by volume), the mixture may exhibit a substantially water-resistant character.
Además, la resina polimérica puede permitir la formación de espumas de poliuretano, que pueden mejorar la unión de los laminados compuestos al núcleo del sándwich compuesto. Se descubrió que los laminados compuestos formados según la presente descripción no se desprenden del núcleo "duro", tal como los tubos de plástico. En algunas realizaciones del presente documento, se puede desear una cantidad seleccionada de formación de espuma en la resina polimérica, tal como por uno o más componentes en el mismo(por ejemplo,el poliuretano reacciona para formar una microespuma). A medida que el poliuretano en la resina polimérica hace espuma, la espuma(por ejemplo,microespuma) se infiltra según la invención en las celdas o tubos del núcleo formando así un enlace mecánico con el núcleo. Dicha infiltración puede tener lugar en los extremos abiertos del núcleo y puede incluir al menos una infiltración parcial desde los extremos abiertos hacia el interior. In addition, the polymeric resin may allow for the formation of polyurethane foams, which may improve the bonding of the composite laminates to the core of the composite sandwich. It was found that the composite laminates formed in accordance with the present disclosure do not peel away from the "hard" core, such as plastic tubes. In some embodiments herein, a selected amount of foaming may be desired in the polymeric resin, such as by one or more components therein (e.g., the polyurethane reacts to form a microfoam). As the polyurethane in the polymeric resin foams, the foam (e.g., microfoam) infiltrates according to the invention into the cells or tubes of the core thereby forming a mechanical bond with the core. Such infiltration may take place at the open ends of the core and may include at least partial infiltration from the open ends inward.
En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir una combinación líquida o una mezcla de epoxi y poliuretano. En una posible realización que va más allá del alcance de las presentes reivindicaciones la resina polimérica puede incluir como máximo aproximadamente el 50 % en volumen de epoxi que incluye un agente de curado o endurecedor, hasta aproximadamente el 20 % en volumen de un material metálico del Grupo VIII y el volumen restante puede ser poliuretano. Cuando se mezcla, el epoxi puede reaccionar (por ejemplo, térmica y/o químicamente) con el poliuretano. Cuando la cantidad de epoxi excede una cierta cantidad (por ejemplo, aproximadamente 40% en volumen), puede ocurrir una reacción no deseada, que puede causar calor no deseado y/o formación de espuma incontrolada. En algunas realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir menos de aproximadamente el 50% en volumen de epoxi. Según la invención reivindicada, la resina incluye menos de aproximadamente 40 % en volumen de epoxi, aproximadamente 5 % a aproximadamente 40 %, aproximadamente 10 % a aproximadamente 35 %, aproximadamente 20 % a aproximadamente 30 %, aproximadamente 20 % a aproximadamente 40%, aproximadamente 25 % a aproximadamente 35 %, aproximadamente 28 % a aproximadamente 32 %, aproximadamente 20 %, aproximadamente 25 %, aproximadamente 35 % o aproximadamente 30 % en volumen de la resina polimérica. En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir menos de aproximadamente el 30 % en volumen de epoxi. En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir menos de aproximadamente el 20 % en volumen de epoxi. En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir menos de aproximadamente 10% en volumen de epoxi. En algunas realizaciones, la proporción entre el poliuretano y el epoxi de la resina polimérica puede ser aproximadamente 1:1 o más, tal como aproximadamente 2:1, aproximadamente 2,5:1, aproximadamente 3:1, aproximadamente 3,5:1, aproximadamente 4: 1, aproximadamente 5:1, aproximadamente 7:1 o aproximadamente 9:1. In some embodiments, the polymeric resin may include a liquid blend or mixture of epoxy and polyurethane. In one possible embodiment beyond the scope of the present claims, the polymeric resin may include at most about 50% by volume of epoxy including a curing agent or hardener, up to about 20% by volume of a Group VIII metallic material, and the remaining volume may be polyurethane. When mixed, the epoxy may react (e.g., thermally and/or chemically) with the polyurethane. When the amount of epoxy exceeds a certain amount (e.g., about 40% by volume), an undesirable reaction may occur, which may cause unwanted heat and/or uncontrolled foaming. In some embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin may include less than about 50% by volume of epoxy. In some embodiments, the polymeric resin includes less than about 30% by volume of epoxy. In some embodiments, the polymeric resin includes less than about 20% by volume of epoxy. In some embodiments, the polymeric resin includes less than about 10% by volume of epoxy. In some embodiments, the ratio of polyurethane to epoxy in the polymeric resin may be about 1:1 or more, such as about 2:1, about 2.5:1, about 3:1, about 3.5:1, about 4:1, about 5:1, about 7:1, or about 9:1.
En una realización, la resina polimérica puede incluir poliuretano, epoxi y al menos un endurecedor. El al menos un endurecedor puede estar compuesto para provocar que uno o más componentes de la resina polimérica comiencen a curarse. El al menos un endurecedor puede estar compuesto específicamente para provocar que solo se cure un componente de la resina polimérica. Los endurecedores adecuados pueden incluir endurecedores a base de amina para epoxis, endurecedores que contienen poliisocianato para poliuretanos o cualquier otro endurecedor adecuado para provocar el curado de uno o más componentes de las resinas poliméricas descritas en el presente documento. En una realización, el epoxi puede ser aproximadamente del 10 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el al menos un endurecedor puede estar presente en una proporción de aproximadamente 1:100 a aproximadamente 1:3 de la resina polimérica o componente de la misma.(por ejemplo,una proporción de 1:5 de endurecedor a epoxi o de endurecedor a resina) en volumen, y el poliuretano puede constituir al menos una parte del resto de la resina polimérica. En una realización, el epoxi puede ser aproximadamente del 25 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el al menos un endurecedor puede estar presente en una proporción de aproximadamente 1: 10 a aproximadamente 1:3 o aproximadamente 1:5 a aproximadamente 1:3 de la resina polimérica o componente de la misma(por ejemplo,epoxi o poliuretano) en volumen, y el poliuretano puede constituir al menos una parte del resto de la resina polimérica. El al menos un endurecedor puede estar compuesto o usado en una cantidad suficiente para causar que la resina polimérica cure(porejemplo,endurecer al menos parcialmente) en un tiempo deseado, tal como aproximadamente 3 horas o menos, aproximadamente 2 horas o menos, aproximadamente 1 hora o menos, aproximadamente 30 minutos o menos, aproximadamente 20 minutos o menos, aproximadamente 15 minutos o menos, o aproximadamente 10 minutos o menos, dependiendo del tiempo requerido para aplicar la resina polimérica. In one embodiment, the polymeric resin may include polyurethane, epoxy, and at least one hardener. The at least one hardener may be composed to cause one or more components of the polymeric resin to begin to cure. The at least one hardener may be specifically composed to cause only one component of the polymeric resin to cure. Suitable hardeners may include amine-based hardeners for epoxies, polyisocyanate-containing hardeners for polyurethanes, or any other hardener suitable for causing cure of one or more components of the polymeric resins described herein. In one embodiment, the epoxy can be about 10% to about 35% of the polymeric resin by volume, the at least one hardener can be present in a ratio of about 1:100 to about 1:3 of the polymeric resin or component thereof (e.g., a 1:5 ratio of hardener to epoxy or hardener to resin) by volume, and the polyurethane can constitute at least a portion of the remainder of the polymeric resin. In one embodiment, the epoxy can be about 25% to about 35% of the polymeric resin by volume, the at least one hardener can be present in a ratio of about 1:10 to about 1:3 or about 1:5 to about 1:3 of the polymeric resin or component thereof (e.g., epoxy or polyurethane) by volume, and the polyurethane can constitute at least a portion of the remainder of the polymeric resin. The at least one hardener may be composed or used in an amount sufficient to cause the polymeric resin to cure (e.g., at least partially harden) in a desired time, such as about 3 hours or less, about 2 hours or less, about 1 hour or less, about 30 minutes or less, about 20 minutes or less, about 15 minutes or less, or about 10 minutes or less, depending on the time required to apply the polymeric resin.
El porcentaje o proporción en volumen de epoxi suficiente para provocar una reacción no deseada o incontrolada (por ejemplo, formación de espuma incontrolada) entre el epoxi y el poliuretano puede variar con la adición de un material metálico del Grupo VIII. Los materiales metálicos del Grupo VIII pueden servir para estabilizar o mediar en la reacción del epoxi y el poliuretano en la resina polimérica. El material metálico del Grupo VIII puede incluir cobalto (Co), níquel (Ni), hierro (Fe), cerámica (por ejemplo, ferritas) que incluyen una o más de las mismas, o aleaciones que incluyen cualquiera de las mismas, entre otros. El material metálico del Grupo VIII puede ser igual o inferior al 20% por volumen de la resina polimérica, tal como aproximadamente 0,1 % a aproximadamente 20 %, aproximadamente 0,5 % a aproximadamente 10 %, aproximadamente 1 % a aproximadamente 5 %, aproximadamente 2 %, aproximadamente 3 % o aproximadamente 4 % o menos de el volumen de la resina polimérica. En algunas realizaciones, el material metálico del Grupo VIII puede ser menos de aproximadamente el 15 % en volumen de la resina polimérica, menos de aproximadamente el 10 % en volumen, menos de aproximadamente el 5 % en volumen o menos de aproximadamente el 1 % en volumen de la resina polimérica. Añadiendo el material metálico del Grupo VIII a la resina polimérica, se puede aumentar la cantidad de epoxi en la misma para proporcionar la dureza superficial deseada y/o crear una superficie sustancialmente impermeable. Por ejemplo, a medida que el porcentaje en volumen de epoxi en la resina polimérica aumenta por encima de aproximadamente el 25 %, el compuesto curado puede comenzar a exhibir propiedades impermeables. Si se desean propiedades impermeables en el producto final, la resina polimérica puede incluir aproximadamente 28% de epoxi en volumen o más, tal como aproximadamente 30% o más, aproximadamente 30% a aproximadamente 50%, aproximadamente 32% a aproximadamente 40%, o aproximadamente 35% de epoxi por volumen. Para reducir o eliminar sustancialmente los poros o microporos en el material compuesto resultante a medida que aumenta la cantidad de epoxi en la resina polimérica, se puede agregar el material metálico del Grupo VIII para reducir o controlar la formación de espuma. Aunque el material metálico del Grupo VIII puede ayudar a estabilizar la resina polimérica, el material metálico del Grupo VIII puede aumentar el coste de la resina polimérica y el componente compuesto o aumentar la viscosidad de la resina polimérica. The percentage or proportion by volume of epoxy sufficient to cause an undesired or uncontrolled reaction (e.g., uncontrolled foaming) between the epoxy and the polyurethane can be varied by the addition of a Group VIII metallic material. The Group VIII metallic materials can serve to stabilize or mediate the reaction of the epoxy and polyurethane in the polymeric resin. The Group VIII metallic material can include cobalt (Co), nickel (Ni), iron (Fe), ceramics (e.g., ferrites) including one or more thereof, or alloys including any of the same, among others. The Group VIII metallic material can be equal to or less than 20% by volume of the polymeric resin, such as about 0.1% to about 20%, about 0.5% to about 10%, about 1% to about 5%, about 2%, about 3%, or about 4% or less of the volume of the polymeric resin. In some embodiments, the Group VIII metallic material may be less than about 15% by volume of the polymeric resin, less than about 10% by volume, less than about 5% by volume, or less than about 1% by volume of the polymeric resin. By adding the Group VIII metallic material to the polymeric resin, the amount of epoxy therein may be increased to provide the desired surface hardness and/or create a substantially impermeable surface. For example, as the volume percentage of epoxy in the polymeric resin increases above about 25%, the cured composite may begin to exhibit impermeable properties. If impermeable properties are desired in the final product, the polymeric resin may include about 28% epoxy by volume or more, such as about 30% or more, about 30% to about 50%, about 32% to about 40%, or about 35% epoxy by volume. To substantially reduce or eliminate pores or micropores in the resulting composite material as the amount of epoxy in the polymer resin is increased, Group VIII metallic material can be added to reduce or control foaming. Although Group VIII metallic material can help stabilize the polymer resin, Group VIII metallic material may increase the cost of the polymer resin and the composite component or increase the viscosity of the polymer resin.
En algunas realizaciones, se pueden agregar una o más cargas a la mezcla de resina polimérica para reducir la contracción durante el curado. Por ejemplo, si se selecciona un epoxi de curado muy rápido, tal como Dow Voraforce 5300, el epoxi de curado rápido puede presentar una contracción mayor que los epoxis de curado más lento, tal como aproximadamente 7% en volumen para el Voraforce 5300. En algunas realizaciones, la utilización de una o más cargas en la resina polimérica puede reducir dicha contracción en la misma resina. Dichas cargas pueden incluir una o más de carbonato de calcio, trihidróxido de aluminio, polvos de alúmina, polvos de sílice, silicatos, polvos metálicos o cualquier sal relativamente inerte o insoluble (en la resina polimérica). Un exceso de material de carga puede hacer que el compuesto curado presente una fragilidad indeseable. En algunas realizaciones, la carga puede ser aproximadamente el 30 % del volumen de la resina polimérica o menos, tal como aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 30 %, aproximadamente el 2 % a aproximadamente el 20 %, aproximadamente el 5 % a aproximadamente el 15 %, aproximadamente el 10 %. a aproximadamente el 30%, aproximadamente el 1% a aproximadamente el 10%, más del cero por ciento a aproximadamente el 10%, aproximadamente el 1% a aproximadamente el 7%, aproximadamente el 3% a aproximadamente el 9%, menos de aproximadamente el 10% o aproximadamente el 25% del Volumen de la resina polimérica. En algunas realizaciones, la carga puede ser aproximadamente el 10 % del volumen de la resina polimérica o más, tal como aproximadamente el 50 % o aproximadamente el 75 %. A medida que la resina cura, el material de carga no se contrae como la resina polimérica. Por lo tanto, el volumen de resina polimérica desplazada por el material de carga proporciona un volumen estable en el material compuesto resultante, reduciendo así el impacto general de la contracción del material compuesto. Tales cargas pueden permitir tiempos de curado más rápidos y al mismo tiempo reducir la contracción que normalmente ocurre durante los curados rápidos. Por ejemplo, el tiempo de curado de una resina polimérica descrita en el presente documento se puede reducir a aproximadamente 6 minutos o menos, tal como aproximadamente 3 minutos o menos, aproximadamente 90 segundos o menos, aproximadamente 60 segundos o aproximadamente 40 segundos, mientras se mantiene una contracción de menos del 3% en volumen. Aunque la carga puede ayudar a reducir o eliminar la contracción, la carga puede aumentar el coste de la resina polimérica y del componente compuesto o aumentar la viscosidad de la resina polimérica. En una realización, la combinación de uno o más de epoxi, poliuretano, termoplástico, material metálico del Grupo VIII o material de carga puede configurarse para proporcionar una contracción neta de menos de aproximadamente 3 % en volumen y/o aún exhibir una viscosidad lo suficientemente baja para ser pulverizado desde una punta de pulverizado a una presión relativamente baja. In some embodiments, one or more fillers may be added to the polymeric resin mixture to reduce shrinkage during cure. For example, if a very fast curing epoxy is selected, such as Dow Voraforce 5300, the fast curing epoxy may exhibit higher shrinkage than slower curing epoxies, such as about 7% by volume for Voraforce 5300. In some embodiments, the use of one or more fillers in the polymeric resin may reduce such shrinkage in the same resin. Such fillers may include one or more of calcium carbonate, aluminum trihydroxide, alumina powders, silica powders, silicates, metal powders, or any relatively inert or insoluble (in the polymeric resin) salt. Excessive filler material may cause the cured composite to exhibit undesirable brittleness. In some embodiments, the filler may be about 30% of the volume of the polymeric resin or less, such as about 1% to about 30%, about 2% to about 20%, about 5% to about 15%, about 10% to about 30%, about 1% to about 10%, more than zero percent to about 10%, about 1% to about 7%, about 3% to about 9%, less than about 10%, or about 25% of the volume of the polymeric resin. In some embodiments, the filler may be about 10% of the volume of the polymeric resin or more, such as about 50% or about 75%. As the resin cures, the filler material does not shrink like the polymeric resin. Thus, the volume of polymeric resin displaced by the filler material provides a stable volume in the resulting composite material, thereby reducing the overall impact of shrinkage of the composite material. Such fillers may allow for faster cure times while also reducing shrinkage that typically occurs during rapid cures. For example, the cure time of a polymeric resin described herein may be reduced to about 6 minutes or less, such as about 3 minutes or less, about 90 seconds or less, about 60 seconds, or about 40 seconds, while maintaining a shrinkage of less than 3% by volume. Although the filler may help reduce or eliminate shrinkage, the filler may increase the cost of the polymeric resin and the composite component or increase the viscosity of the polymeric resin. In one embodiment, the combination of one or more of epoxy, polyurethane, thermoplastic, Group VIII metallic material or filler material can be configured to provide a net shrinkage of less than about 3% by volume and/or still exhibit a viscosity low enough to be sprayed from a spray tip at a relatively low pressure.
Cuando la viscosidad de una resina polimérica es relativamente alta(porejemplo,por encima de 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi)), puede ser más difícil pulverizar la resina polimérica y puede llevar más tiempo y/o una presión de línea más alta para pulverizar la resina polimérica. En un estado sin curar, las resinas poliméricas descritas en el presente documento pueden exhibir una viscosidad relativamente baja(por ejemplo,fluir fácilmente) a temperaturas elevadas y se puede esparcir manualmente más fácilmente o pulverizar con una herramienta de bajo costo, como recipiente a presión y pulverizador, a una presión relativamente baja(por ejemplo,a aproximadamente 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi) o menos lo que puede reducir significativamente el alto costo asociado con un cabezal pulverizador de líquido comercial, al mismo tiempo que proporciona un perfil deseado de resiliencia y/o falla mecánica al laminado compuesto curado que lo incluye. Un pulverizador de resina polimérica que utilice un recipiente a presión puede ser adecuado para prototipos o producción de bajo volumen de piezas relativamente pequeñas. When the viscosity of a polymeric resin is relatively high (e.g., above 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi)), it may be more difficult to spray the polymeric resin and it may take longer and/or higher line pressure to spray the polymeric resin. In an uncured state, the polymeric resins described herein may exhibit a relatively low viscosity (e.g., flow easily) at elevated temperatures and can be more easily spread manually or sprayed with a low-cost tool, such as a pressure vessel and sprayer, at a relatively low pressure (e.g., at about 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi) or less) which can significantly reduce the high cost associated with a commercial liquid spray head while still providing a desired resilience and/or mechanical failure profile to the cured composite laminate enclosing it. A polymeric resin sprayer utilizing a pressure vessel may be suitable for prototyping or low volume production of relatively small parts.
En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir un epoxi, un poliuretano y uno o más de al menos un termoestable, al menos un endurecedor, al menos un material metálico del Grupo VIII o al menos un material de carga. Uno o más de los componentes de resina polimérica anteriores se pueden usar en combinación entre sí en cualquiera de las respectivas cantidades en volumen descritas en el presente documento sin limitación. Por ejemplo, en una realización, la resina polimérica puede incluir poliuretano, epoxi y al menos un termoplástico tal como PEEK. El epoxi puede ser aproximadamente del 10 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el termoplástico puede ser aproximadamente del 1 % a aproximadamente el 20 % de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto de la resina polimérica. En una realización, el epoxi puede ser aproximadamente del 25 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el termoplástico puede ser aproximadamente del 3 % a aproximadamente el 15 % de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto de la resina polimérica. In some embodiments, the polymeric resin may include an epoxy, a polyurethane, and one or more of at least one thermoset, at least one hardener, at least one Group VIII metallic material, or at least one filler. One or more of the above polymeric resin components may be used in combination with each other in any of the respective volume amounts described herein without limitation. For example, in one embodiment, the polymeric resin may include polyurethane, epoxy, and at least one thermoplastic such as PEEK. The epoxy may be about 10% to about 35% of the polymeric resin by volume, the thermoplastic may be about 1% to about 20% of the polymeric resin by volume, and the polyurethane may constitute the remainder of the polymeric resin. In one embodiment, the epoxy can be about 25% to about 35% of the polymeric resin by volume, the thermoplastic can be about 3% to about 15% of the polymeric resin by volume, and the polyurethane can constitute the remainder of the polymeric resin.
En una realización, la resina polimérica puede incluir poliuretano, epoxi y al menos un material metálico del Grupo VIII. El epoxi puede ser aproximadamente del 10 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el al menos un material metálico del Grupo VIII puede ser aproximadamente del 0,1 % a aproximadamente el 20 % de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto de la resina polimérica. En una realización, el epoxi puede ser aproximadamente del 25 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el al menos un material metálico del Grupo VIII puede ser aproximadamente el 5 % o menos de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto de la resina polimérica. In one embodiment, the polymeric resin can include polyurethane, epoxy, and at least one Group VIII metallic material. The epoxy can be about 10% to about 35% of the polymeric resin by volume, the at least one Group VIII metallic material can be about 0.1% to about 20% of the polymeric resin by volume, and the polyurethane can constitute the remainder of the polymeric resin. In one embodiment, the epoxy can be about 25% to about 35% of the polymeric resin by volume, the at least one Group VIII metallic material can be about 5% or less of the polymeric resin by volume, and the polyurethane can constitute the remainder of the polymeric resin.
En una realización, la resina polimérica puede incluir poliuretano, epoxi y al menos un material de carga. El epoxi puede ser aproximadamente del 10% aaproximadamente el 35%de la resina polimérica en volumen, el al menos un material de carga puede ser aproximadamente del 1 % a aproximadamente el 30 % de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto de la resina polimérica. En una realización, el epoxi puede ser aproximadamente del 25 % a aproximadamente el 35 % de la resina polimérica en volumen, el al menos un material de carga puede ser aproximadamente del 1 % a aproximadamente el 10 % o aproximadamente del 3 % a aproximadamente el 20 % de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto del polímero restante. In one embodiment, the polymeric resin can include polyurethane, epoxy, and at least one filler. The epoxy can be about 10% to about 35% of the polymeric resin by volume, the at least one filler can be about 1% to about 30% of the polymeric resin by volume, and the polyurethane can constitute the remainder of the polymeric resin. In one embodiment, the epoxy can be about 25% to about 35% of the polymeric resin by volume, the at least one filler can be about 1% to about 10% or about 3% to about 20% of the polymeric resin by volume, and the polyurethane can constitute the remainder of the remaining polymer.
En una realización, la resina polimérica puede incluir uno o más de poliuretano, epoxi, al menos un termoplástico, al menos un endurecedor, al menos un material metálico del Grupo VIII y al menos una carga. Cuando está presente, el epoxi puede ser aproximadamente del 10 % a aproximadamente el 40 % (por ejemplo, aproximadamente del 10 % a aproximadamente el 35 % o aproximadamente del 25 % a aproximadamente el 35 %) de la resina polimérica en volumen, el termoplástico puede ser de aproximadamente el 1 % a aproximadamente el 20 % (por ejemplo, aproximadamente 3 % a aproximadamente 15 %) de la resina polimérica en volumen, el al menos un endurecedor puede estar presente en una proporción de aproximadamente 1:100 a aproximadamente 1:3 (por ejemplo, aproximadamente 1:10 a aproximadamente 1 :3 o aproximadamente 1:5 a aproximadamente 1:3) de la resina polimérica o componente de la misma en volumen, el al menos un material metálico del Grupo VIII puede ser aproximadamente 0,1% a aproximadamente 20% (por ejemplo, aproximadamente 10% o menos o aproximadamente 5% o menos) de la resina polimérica en volumen, el al menos un material de carga puede ser aproximadamente 1% a aproximadamente 30% de (por ejemplo, aproximadamente 1% a aproximadamente 10% o aproximadamente 3% a aproximadamente 20%) de la resina polimérica en volumen, y el poliuretano puede constituir el resto (por ejemplo, aproximadamente del 10 % a aproximadamente el 90 % o aproximadamente del 25 % a aproximadamente el 75 %) de la resina polimérica en volumen. In one embodiment, the polymeric resin may include one or more of polyurethane, epoxy, at least one thermoplastic, at least one hardener, at least one Group VIII metallic material, and at least one filler. When present, the epoxy can be about 10% to about 40% (e.g., about 10% to about 35% or about 25% to about 35%) of the polymeric resin by volume, the thermoplastic can be about 1% to about 20% (e.g., about 3% to about 15%) of the polymeric resin by volume, the at least one hardener can be present in a ratio of about 1:100 to about 1:3 (e.g., about 1:10 to about 1:3 or about 1:5 to about 1:3) of the polymeric resin or component thereof by volume, the at least one Group VIII metallic material can be about 0.1% to about 20% (e.g., about 10% or less or about 5% or less) of the polymeric resin by volume, the at least one filler can be about 1% to about 30% of the polymeric resin or component thereof. (for example, about 1% to about 10% or about 3% to about 20%) of the polymeric resin by volume, and the polyurethane may constitute the remainder (for example, about 10% to about 90% or about 25% to about 75%) of the polymeric resin by volume.
Aparatos y métodos para aplicar resina polimérica. Apparatus and methods for applying polymeric resin.
Las resinas poliméricas descritas en el presente documento se pueden aplicar a una lámina de fibra, núcleo u otro componente de una estructura compuesta mediante uno o más de los siguientes métodos: pulverización o esparcimiento manual(por ejemplo,con llana, rodillo, brocha o espátula). La resina polimérica se puede pulverizar fácilmente sobre una lámina de fibra usando un recipiente o recipiente a presión, a un costo mucho menor que cabezales pulverizadores de líquido convencionales. El recipiente a presión es una alternativa de bajo costo para prototipos y producción de bajo volumen de piezas pequeñas. FIG. 1A es un diagrama simplificado de un recipiente a presión para pulverizar resina polimérica de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación. Un recipiente a presión 100(por ejemplo,recipiente a presión caliente u otro recipiente presurizado capaz de mantener o aumentar la presión y calentar un fluido) incluye un recipiente a presión 118 con una cubierta 116, cada uno configurado para contener una presión aumentada. El recipiente a presión 118 contiene un fluido caliente(porejemplo,agua) 102 en el mismo para calentar una resina polimérica líquida 104 en un recipiente 110. El contenedor 110 puede incluir un contenedor rígido y/o elástico, tal como una bolsa de plástico. El contenedor 110 puede construirse de un material sustancialmente inerte(por ejemplo,sustancialmente inerte a los componentes de la resina polimérica). Se puede conectar un primer tubo 114 al recipiente 110 para proporcionar uno o más componentes de la resina 104 en una forma líquida, y se puede conectar un segundo tubo 112 al recipiente 110 para proporcionar uno o más componentes diferentes de la resina 104 también en una forma líquida. The polymeric resins described herein can be applied to a fiber sheet, core, or other component of a composite structure by one or more of the following methods: spraying or hand spreading (e.g., trowel, roller, brush, or spatula). The polymeric resin can be easily sprayed onto a fiber sheet using a pressure vessel or canister, at a much lower cost than conventional liquid spray heads. The pressure vessel is a low-cost alternative for prototyping and low volume production of small parts. FIG. 1A is a simplified diagram of a pressure vessel for spraying polymeric resin in accordance with embodiments of the present disclosure. A pressure vessel 100 (e.g., heated pressure vessel or other pressurized vessel capable of maintaining or increasing pressure and heating a fluid) includes a pressure vessel 118 with a cover 116, each configured to contain an increased pressure. Pressure vessel 118 holds a heated fluid (e.g., water) 102 therein for heating a liquid polymeric resin 104 in a container 110. Container 110 may include a rigid and/or resilient container, such as a plastic bag. Container 110 may be constructed of a substantially inert material (e.g., substantially inert to the components of the polymeric resin). A first tube 114 may be connected to container 110 to provide one or more components of resin 104 in a liquid form, and a second tube 112 may be connected to container 110 to provide one or more different components of resin 104 also in a liquid form.
FIG. 1B es un diagrama simplificado del contenedor de FIG. 1A antes de mezclar una resina polimérica y un endurecedor de acuerdo con realizaciones no cubiertas por la invención reivindicada. FIG. 1B is a simplified diagram of the container of FIG. 1A prior to mixing a polymeric resin and a hardener in accordance with embodiments not covered by the claimed invention.
Dentro del recipiente 110, un divisor 108 puede separar la resina polimérica 104A de un endurecedor 104B antes de la pulverización. Se puede conectar un primer tubo 114 al recipiente 110 para proporcionar la resina 104A en una forma líquida, y se puede conectar un segundo tubo 112 al recipiente 110 para proporcionar el endurecedor 104B también en una forma líquida. Cuando se retira el divisor 108, la resina 104A y el endurecedor 104B se pueden mezclar. Uno de los tubos primero y segundo 112 y 114 debe sellarse o conectarse a una fuente de presión antes de colocar el recipiente 110 en el agua 102 dentro del recipiente de presión 118, mientras que el otro tubo puede dejarse abierto para actuar como una salida para pulverizar la resina polimérica. En una realización, el fluido tibio puede ser un líquido calentado(por ejemplo,agua) o gas(por ejemplo,vapor). Within the vessel 110, a divider 108 may separate the polymeric resin 104A from a hardener 104B prior to spraying. A first tube 114 may be connected to the vessel 110 to provide the resin 104A in a liquid form, and a second tube 112 may be connected to the vessel 110 to provide the hardener 104B also in a liquid form. When the divider 108 is removed, the resin 104A and hardener 104B may be mixed. One of the first and second tubes 112 and 114 may be sealed or connected to a pressure source prior to placing the vessel 110 into the water 102 within the pressure vessel 118, while the other tube may be left open to act as an outlet for spraying the polymeric resin. In one embodiment, the warm fluid may be a heated liquid (e.g., water) or gas (e.g., steam).
FIG. 2 es una vista isométrica del recipiente a presión de la FIG. 1A según una realización no cubierta por la invención reivindicada. FIG. 2 is an isometric view of the pressure vessel of FIG. 1A according to an embodiment not covered by the claimed invention.
El recipiente a presión 200 incluye una conexión de aire 202 a una salida de aire, que proporciona una presión de aire de aproximadamente 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi). The pressure vessel 200 includes an air connection 202 to an air outlet, which provides an air pressure of approximately 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi).
El recipiente a presión 200 puede pulverizar la resina polimérica desde una conexión 204 a una presión generalmente inferior a 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi), por ejemplo, 482633 Pa (4,8 bares, 70 psi). En algunas realizaciones, el recipiente a presión 200 puede pulverizar la resina polimérica a una presión de aire de aproximadamente 723950 Pa (7,2 bares, 105 psi). En algunas realizaciones no cubiertas por la invención reivindicada, uno o más del recipiente de presión 200 o la bolsa de plástico en su interior puede incluir un elemento agitador en su interior. Los elementos agitadores pueden incluir un procesador ultrasónico(por ejemplo,Sonicador), barra agitadora u otro miembro que vibre o agite. Por ejemplo, el recipiente a presión 200 puede configurarse como un baño ultrasónico que tiene un control de temperatura ajustable. The pressure vessel 200 may spray the polymeric resin from a connection 204 at a pressure generally less than 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi), for example, 482633 Pa (4.8 bar, 70 psi). In some embodiments, the pressure vessel 200 may spray the polymeric resin at an air pressure of about 723950 Pa (7.2 bar, 105 psi). In some embodiments not covered by the claimed invention, one or more of the pressure vessel 200 or the plastic bag therein may include an agitator element therein. The agitator elements may include an ultrasonic processor (e.g., sonicator), stir bar, or other vibrating or agitating member. For example, the pressure vessel 200 may be configured as an ultrasonic bath having an adjustable temperature control.
FIG. 3 Es una vista isométrica de una bolsa de plástico que contiene una resina polimérica según una realización. Como se muestra, una bolsa de plástico 302(por ejemplo,contenedor) contiene una resina polimérica premezclada que incluye un endurecedor. La bolsa de plástico se puede colocar en el recipiente a presión 200 para calentar la resina polimérica que contiene. La bolsa de plástico 302 incluye la conexión 204 para sacar la resina polimérica cuando la bolsa de plástico se coloca en el recipiente de presión 200. La bolsa de plástico puede estar hecha de un material plástico seleccionado para permanecer sustancialmente inerte a la resina polimérica o sus componentes. FIG. 3 is an isometric view of a plastic bag containing a polymeric resin according to one embodiment. As shown, a plastic bag 302 (e.g., container) contains a premixed polymeric resin that includes a hardener. The plastic bag may be placed into pressure vessel 200 to heat the polymeric resin contained therein. The plastic bag 302 includes connection 204 for extruding the polymeric resin when the plastic bag is placed into pressure vessel 200. The plastic bag may be made of a plastic material selected to remain substantially inert to the polymeric resin or its components.
FIG. 4 es un diagrama de flujo de un método para pulverizar una resina polimérica de acuerdo con realizaciones no cubiertas por la invención reclamada. FIG. 4 is a flow chart of a method for spraying a polymeric resin according to embodiments not covered by the claimed invention.
El método 400 comienza mezclando resina y endurecedor en un recipiente para formar una resina polimérica en la acción 402. La mezcla se puede realizar usando las manos u otras herramientas para apretar la bolsa a temperatura ambiente. El mezclado puede verse favorecido mediante el uso del miembro agitador. La mezcla puede incluir mezclar uno o más de un primer termoestable(por ejemplo,poliuretano), un segundo termoestable(porejemplo,epoxi), un material metálico del Grupo VIII(por ejemplo,ferritas), un termoplástico, una carga o el endurecedor. Method 400 begins by mixing resin and hardener in a vessel to form a polymeric resin in action 402. Mixing may be accomplished by using hands or other tools to squeeze the bag at room temperature. Mixing may be aided by use of the agitator member. Mixing may include mixing one or more of a first thermoset (e.g., polyurethane), a second thermoset (e.g., epoxy), a Group VIII metallic material (e.g., ferrites), a thermoplastic, a filler, or the hardener.
El método 400 incluye colocar el recipiente en un recipiente a presión para calentar la resina polimérica en la acción 406. La temperatura del fluido en el recipiente a presión puede estar por debajo de la temperatura a la que el endurecedor comienza a curar. Por ejemplo, el agua se puede mantener en una temperatura de aplicación(porejemplo,pulverización) por debajo de la temperatura de curado del endurecedor, tal como a aproximadamente 50°C, mientras que el endurecedor comienza a curar a una temperatura elevada, por ejemplo, aproximadamente 70°C, cuando la resina polimérica es una mezcla de poliuretano y epoxi. El endurecedor se puede elegir para obtener el mismo o similar tiempo de curado para el epoxi y poliuretano a la misma temperatura. Tiempos de curado iguales o similares pueden permitir que los dos termoestables(por ejemplo,epoxi y poliuretano) completen el curado juntos sin alargar el proceso de curado debido a que uno de los termoestables en la resina polimérica permanece sin curar durante un período más largo. The method 400 includes placing the vessel in a pressure vessel to heat the polymeric resin in action 406. The temperature of the fluid in the pressure vessel may be below the temperature at which the hardener begins to cure. For example, the water may be maintained at an application (e.g., spray) temperature below the curing temperature of the hardener, such as at about 50° C., while the hardener begins to cure at an elevated temperature, e.g., about 70° C., when the polymeric resin is a blend of polyurethane and epoxy. The hardener may be chosen to obtain the same or similar cure time for the epoxy and polyurethane at the same temperature. Equal or similar cure times may allow the two thermosets (e.g., epoxy and polyurethane) to complete cure together without lengthening the curing process due to one of the thermosets in the polymeric resin remaining uncured for a longer period.
En otra realización, no cubierta por la invención reivindicada, cuando la resina polimérica incluye un epoxi, el agua se puede mantener en una temperatura de aplicación superior(por ejemplo,pulverización) para reducir la viscosidad, como aproximadamente 80 °C-85 °C o menos, mientras que el endurecedor para el epoxi puede comenzar a curar a aproximadamente 90 °C. Al precalentar la resina polimérica sin comenzar a curar, la viscosidad de la resina polimérica se puede reducir antes de la aplicación(por ejemplo,a aproximadamente 0,3 Pa s (300 centipoises) o menos a aproximadamente 70 °C), lo que hace más fácil pulverizar la resina polimérica a baja presión. Además, el tiempo de curado de la resina polimérica se puede acortar precalentando la resina en el recipiente a presión o en un sistema de pulverización comercial, ya que puede llevar menos tiempo la resina polimérica precalentada alcance el punto de gelificación y, por lo tanto, la resina polimérica puede curar en un tiempo más corto. In another embodiment, not covered by the claimed invention, when the polymeric resin includes an epoxy, the water can be maintained at a higher application temperature (e.g., spraying) to reduce viscosity, such as about 80°C-85°C or less, while the hardener for the epoxy can begin curing at about 90°C. By preheating the polymeric resin without beginning to cure, the viscosity of the polymeric resin can be reduced prior to application (e.g., to about 0.3 Pa s (300 centipoise) or less at about 70°C), making it easier to spray the polymeric resin at low pressure. In addition, the curing time of the polymeric resin can be shortened by preheating the resin in the pressure vessel or a commercial spray system, since it may take less time for the preheated polymeric resin to reach the gel point and therefore the polymeric resin can cure in a shorter time.
En una realización según la invención, la resina polimérica incluye una mezcla de un poliuretano y un epoxi y la temperatura se selecciona para mantener la viscosidad deseada de la resina polimérica sin curar sustancialmente la resina polimérica. En una realización según la invención, la temperatura se puede seleccionar para mantener la resina polimérica a una viscosidad por debajo de aproximadamente 0,3 Pa s (300 centipoises) sin curar la resina polimérica. La temperatura en el recipiente a presión puede ser de aproximadamente 90 °C o menos, y según la invención es de aproximadamente 40 °C a aproximadamente 85 °C, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 70 °C, de aproximadamente 50 °C, de aproximadamente 80 °C o de aproximadamente 65 °C o menos para mantener la viscosidad de la resina polimérica por debajo de aproximadamente 0,3 Pa s (300 centipoises). In one embodiment according to the invention, the polymeric resin includes a mixture of a polyurethane and an epoxy and the temperature is selected to maintain the desired viscosity of the polymeric resin without substantially curing the polymeric resin. In one embodiment according to the invention, the temperature can be selected to maintain the polymeric resin at a viscosity below about 0.3 Pa s (300 centipoise) without curing the polymeric resin. The temperature in the pressure vessel can be about 90 °C or less, and according to the invention is about 40 °C to about 85 °C, about 50 °C to about 70 °C, about 50 °C, about 80 °C, or about 65 °C or less to maintain the viscosity of the polymeric resin below about 0.3 Pa s (300 centipoise).
El método 400 también incluye pulverizar la resina polimérica a baja presión en la acción 410. La (baja) presión puede proporcionarse desde una salida de aire, que generalmente es de 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi). Al utilizar la fuente de aire de la salida de aire, no se necesita ningún compresor adicional ni nada similar. La presión de pulverización puede ser inferior a 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi) por seguridad; por ejemplo, se pueden utilizar 482633 Pa (4,8 bares, 70 psi). Method 400 also includes spraying the polymer resin at low pressure in action 410. The (low) pressure may be provided from an air outlet, which is typically 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi). By using the air source from the air outlet, no additional compressor or the like is needed. The spray pressure may be lower than 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi) for safety; for example, 482633 Pa (4.8 bar, 70 psi) may be used.
Uno de los beneficios de usar la resina polimérica para impregnar las fibras de una lámina de fibra es permitir el uso de baja presión para pulverizar fácilmente la resina polimérica a través del recipiente a presión o un sistema de pulverizado comercial. La resina polimérica puede incluir una mezcla de un termoestable con una alta viscosidad a temperatura ambiente (por ejemplo, aproximadamente 50-70 mPa s o más) y un termoestable con una baja viscosidad a temperatura ambiente (por ejemplo, por debajo de aproximadamente 40 mPa s), y opcionalmente también puede incluir uno o más de un termoplástico (por ejemplo, fibras mezcladas) para mejorar la tenacidad, un material metálico del Grupo VIII para estabilizar la reacción del poliuretano y el epoxi, y/o un material de carga para reducir la contracción. La mezcla de resina polimérica puede estar compuesta de manera que la resina polimérica tenga una viscosidad baja, que puede reducirse aún más calentando la resina polimérica en el recipiente a presión antes de pulverizar como se describe anteriormente. También se pueden usar otros cabezales pulverizadores de líquidos comerciales para pulverizar la resina polimérica. Sin embargo, los cabezales pulverizadores de líquidos comerciales son mucho más caros que los recipientes a presión. Por lo tanto, el coste de herramientas para pulverizar la resina polimérica se reduce significativamente cuando se utiliza el recipiente a presión. Los cabezales pulverizadores de líquidos comerciales pueden ser más adecuados y usarse en la producción de grandes volúmenes de piezas grandes y pueden usarse con cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento. One of the benefits of using the polymeric resin to impregnate the fibers of a fiber sheet is to allow the use of low pressure to easily spray the polymeric resin through the pressure vessel or a commercial spray system. The polymeric resin may include a mixture of a thermoset with a high viscosity at room temperature (e.g., about 50-70 mPa s or more) and a thermoset with a low viscosity at room temperature (e.g., below about 40 mPa s), and may optionally also include one or more of a thermoplastic (e.g., blended fibers) to improve toughness, a Group VIII metallic material to stabilize the reaction of the polyurethane and epoxy, and/or a filler material to reduce shrinkage. The polymeric resin mixture may be composed such that the polymeric resin has a low viscosity, which may be further reduced by heating the polymeric resin in the pressure vessel prior to spraying as described above. Other commercial liquid spray heads may also be used to spray the polymeric resin. However, commercial liquid spray heads are much more expensive than pressure vessels. Therefore, the cost of tooling to spray the polymer resin is significantly reduced when the pressure vessel is used. Commercial liquid spray heads may be more suitable and used in high volume production of large parts and may be used with any of the embodiments described herein.
Fibras de carbono y fibras recicladas a partir de residuos RTM Carbon fibers and recycled fibers from RTM waste
Las fibras de carbono pueden suministrarse en manojos, como TORAY 1k, 3k, 6k, 12k, 24k y 48k. Las fibras de carbono también pueden incluir algunos aglutinantes en la superficie exterior. de las fibras, de modo que las fibras se puedan agrupar entre sí cuando las fibras de carbono se calientan a una temperatura elevada. El desperdicio de fibra del RTM puede ser muy elevado, por ejemplo, hasta aproximadamente el 40 %, dependiendo de la forma o geometría del producto. Los residuos de fibra se pueden generar cortando el exceso de fibra de una lámina de fibravirgen (por ejemplo,sin usar) antes de la operación RTM. Los residuos de fibra normalmente se encuentran en forma de lámina sin resina del RTM. Las fibras sobrantes o de residuo pueden reciclarse para su uso posterior. Se pueden formar láminas de fibra reciclada a partir de fibras de desecho de cualquier tipo, tales como fibras de carbono, fibras de vidrio o fibras plásticas. Específicamente, la lámina de fibra de desecho se puede cortar primero en cuadrados más pequeños, como por ejemplo de 35 por 35 mm2. Luego, los cuadrados más pequeños de la lámina de fibra de desecho se pueden pulverizar para romper los haces en filamentos o fibras individuales, que se pueden formar en láminas de fibra recicladas. Las láminas de fibra reciclada son mucho más baratas que las fibras vírgenes. Carbon fibers can be supplied in bundles, such as TORAY 1k, 3k, 6k, 12k, 24k and 48k. Carbon fibers may also include some binders on the outer surface of the fibers, so that the fibers can be bundled together when the carbon fibers are heated to a high temperature. Fiber waste from RTM can be very high, for example up to about 40%, depending on the shape or geometry of the product. Fiber waste can be generated by cutting off excess fiber from a virgin (e.g. unused) fiber sheet prior to the RTM operation. Fiber waste is usually in the form of unresined RTM sheet. Surplus or waste fibers can be recycled for further use. Recycled fiber sheets can be formed from waste fibers of any type, such as carbon fibers, glass fibers or plastic fibers. Specifically, the waste fiber sheet can first be cut into smaller squares, such as 35 by 35 mm2. The smaller squares of the waste fiber sheet can then be pulverized to break the bundles into filaments or individual fibers, which can be formed into recycled fiber sheets. Recycled fiber sheets are much cheaper than virgin fibers.
FIG. 5 ilustra un dispositivo simplificado para formar láminas de fibra reciclada de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación. El dispositivo 500 puede incluir una cinta móvil 506, una tolva 502 y dos rodillos 508A-B. Para fabricar láminas de fibra a partir de fibras recicladas, los filamentos se pueden depositar en la cinta móvil 506 a través de la tolva 502, incluyendo una abertura 504 en la parte inferior de la tolva 502, que se puede agitar para disponer aleatoriamente fibras discontinuas 512 sobre la cinta 506 a través de la apertura 504. La cinta móvil 506 puede pasar a través de dos rodillos calientes 508A-B para formar una lámina de fibra 510, que incluye fibras discontinuas 512 orientadas aleatoriamente, y puede ser casi isotrópica porque las fibras están ligeramente orientadas a lo largo de la dirección de movimiento de la cinta 506. Los dos rodillos 508A-B se pueden calentar a una temperatura elevada, por ejemplo, aproximadamente 80 °C, de modo que las fibras se unan entre sí mediante aglutinantes en la superficie exterior de las fibras. FIG. 5 illustrates a simplified device for forming recycled fiber sheets in accordance with embodiments of the present disclosure. The device 500 may include a moving belt 506, a hopper 502, and two rollers 508A-B. To make fiber sheets from recycled fibers, filaments may be deposited onto moving belt 506 through hopper 502, including an opening 504 at the bottom of hopper 502, which may be agitated to randomly arrange staple fibers 512 onto belt 506 through opening 504. Moving belt 506 may pass through two heated rolls 508A-B to form a fiber sheet 510, which includes randomly oriented staple fibers 512, and may be nearly isotropic in that the fibers are slightly oriented along the direction of movement of belt 506. Two rolls 508A-B may be heated to an elevated temperature, for example, about 80° C., so that the fibers are bonded together by binders on the outer surface of the fibers.
FIG. 6 es una fotografía de las láminas de fibra 510 de la FIG. 5 después de la preparación de acuerdo con realizaciones no cubiertas por la invención reclamada. FIG. 6 is a photograph of the fiber sheets 510 of FIG. 5 after preparation in accordance with embodiments not covered by the claimed invention.
La lámina de fibra 510 puede punzonarse para formar orificios 602 para permitir que la resina polimérica fluya a través de las fibras para formar un laminado compuesto, como se muestra en la FIG. 6. La resina polimérica incrusta las fibras discontinuas orientadas aleatoriamente. The fiber sheet 510 may be punched to form holes 602 to allow polymeric resin to flow through the fibers to form a composite laminate, as shown in FIG. 6. The polymeric resin embeds the randomly oriented discontinuous fibers.
Se pueden usar múltiples láminas de fibra para formar un laminado compuesto(porejemplo,una o más capas formando una sola capa sobre el núcleo) o piel. FIG. 7 es una fotografía de las láminas de fibra de la FIG. 5 con una malla entre dos láminas de fibra de acuerdo con realizaciones no cubiertas por la invención reclamada. Multiple fiber sheets may be used to form a composite laminate (e.g., one or more layers forming a single layer over the core) or skin. FIG. 7 is a photograph of the fiber sheets of FIG. 5 with a mesh between two fiber sheets in accordance with embodiments not covered by the claimed invention.
Múltiples láminas de fibra 700 incluyen una malla de plástico 702 colocada entre dos láminas de fibra 704A y 704B, como se muestra en la FIG. 7. La malla 702 puede ayudar a retener las fibras discontinuas en las láminas. La malla 702 puede estar formada de un plástico, que incluye, entre otros, nailon o poliamida. Multiple fiber sheets 700 include a plastic mesh 702 positioned between two fiber sheets 704A and 704B, as shown in FIG. 7. The mesh 702 may help retain staple fibers in the sheets. The mesh 702 may be formed of a plastic, including, but not limited to, nylon or polyamide.
Resina polimérica para formar un sándwich compuesto Polymeric resin to form a composite sandwich
La resina polimérica se puede usar para formar una estructura compuesta, que incluye un núcleo intercalado entre al menos dos laminados compuestos ("sándwich compuesto"), tal como uno o más laminados compuestos en cada lado del núcleo. En algunas realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir una mezcla líquida de un primer termoestable y un segundo termoestable, que puede impregnar las láminas de fibra para formar laminados compuestos, que pueden unirse a los extremos del núcleo. para formar el sándwich compuesto. En algunas realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir una mezcla de uno o más termoestables y un termoplástico, tal como epoxi o poliuretano con fibras termoplásticas mezcladas (por ejemplo, fibras PEEK). La resina polimérica puede incluir uno o más endurecedores en la misma. El uno o más endurecedores pueden estar compuestos para provocar el curado de uno o más poliuretano o epoxi. En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir un material de carga. En algunas realizaciones, la resina polimérica puede incluir al menos un material metálico del Grupo VIII. En algunas realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir una mezcla líquida de un primer termoestable, un segundo termoestable y uno o más materiales adicionales, tales como al menos un endurecedor, al menos un material metálico del Grupo VIII, al menos un material de carga o al menos un termoplástico. En algunas realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir un único termoestable, tal como poliuretano o epoxi y uno o más materiales adicionales, tales como al menos un segundo termoestable, al menos un endurecedor, al menos un material metálico del Grupo VIII, al menos un material de carga o al menos un termoplástico. La resina polimérica se puede pulverizar sobre la lámina de fibra 510 usando el recipiente a presión 100 o 200 o un sistema de pulverización comercial, o se puede aplicar manualmente a la lámina de fibra 510 como se describe en el presente documento. La lámina de fibra se puede pinchar para formar orificios que permitan que la resina polimérica fluya y entre en contacto con el extremo del núcleo, que puede estar formado por tubos de plástico. The polymeric resin may be used to form a composite structure, including a core sandwiched between at least two composite laminates ("composite sandwich"), such as one or more composite laminates on each side of the core. In some embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin may include a liquid mixture of a first thermoset and a second thermoset, which may impregnate the fiber sheets to form composite laminates, which may be bonded to the ends of the core to form the composite sandwich. In some embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin may include a mixture of one or more thermosets and a thermoplastic, such as epoxy or polyurethane with thermoplastic fibers mixed in (e.g., PEEK fibers). The polymeric resin may include one or more tougheners therein. The one or more tougheners may be compounded to cause curing of the one or more polyurethane or epoxy. In some embodiments, the polymeric resin may include a filler material. In some embodiments, the polymeric resin can include at least one Group VIII metallic material. In some embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin can include a liquid mixture of a first thermoset, a second thermoset, and one or more additional materials, such as at least one hardener, at least one Group VIII metallic material, at least one filler, or at least one thermoplastic. In some embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin can include a single thermoset, such as polyurethane or epoxy, and one or more additional materials, such as at least one second thermoset, at least one hardener, at least one Group VIII metallic material, at least one filler, or at least one thermoplastic. The polymeric resin can be sprayed onto the fiber sheet 510 using the pressure vessel 100 or 200 or a commercial spray system, or it can be manually applied to the fiber sheet 510 as described herein. The fiber sheet can be punctured to form holes that allow the polymer resin to flow and come into contact with the end of the core, which can be formed by plastic tubes.
El núcleo puede ser un núcleo "blando" o un núcleo "duro". El núcleo "blando" puede incluir cartón, cartulina, espuma de baja densidad y similares. El núcleo "duro" puede incluir una pluralidad de celdas definidas por tubos de plástico, espumas de alta densidad, panal o similares. The core may be a "soft" core or a "hard" core. The "soft" core may include cardboard, paperboard, low-density foam, and the like. The "hard" core may include a plurality of cells defined by plastic tubes, high-density foams, honeycomb, or the like.
La resina polimérica también se puede usar para formar un laminado compuesto como cualquiera de los descritos en el presente documento. La solicitud de patente provisional de EE. UU. Núm. 62/007,652 (expediente de abogado Núm. P243722.US.01), titulada "Laminado compuesto libre de defectos superficiales", presentada el 4 de junio de 2014, divulga detalles sobre aparatos y métodos para fabricar laminado compuesto libre de Defectos superficiales, como poros. Los componentes de carrocería de vehículo comercialmente aceptables pueden requerir que la superficie esté sustancialmente libre de poros, porosidad u otros defectos superficiales, de modo que la superficie pueda exhibir un acabado superficial pulido(por ejemplo,brillante). The polymeric resin may also be used to form a composite laminate such as any of those described herein. U.S. Provisional Patent Application No. 62/007,652 (Attorney Docket No. P243722.US.01), entitled "Composite Laminate Free of Surface Defects," filed June 4, 2014, discloses details on apparatus and methods for manufacturing composite laminate free of surface defects, such as pinholes. Commercially acceptable vehicle body components may require that the surface be substantially free of pinholes, porosity, or other surface defects, such that the surface can exhibit a polished (e.g., glossy) surface finish.
Las técnicas de bajo costo aquí descritas se han desarrollado para fabricar componentes compuestos libres de defectos superficiales. The low-cost techniques described here have been developed to manufacture composite components free of surface defects.
FIG. 8 es una fotografía de un sándwich compuesto que incluye un núcleo "duro" hecho de pajitas para beber de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación. El sándwich compuesto 800 incluye un laminado compuesto superior 802 o revestimiento, un núcleo formado por pajitas de plástico 806 agrupadas entre sí y un laminado compuesto inferior 804. FIG. 8 is a photograph of a composite sandwich including a "hard" core made of drinking straws in accordance with embodiments of the present disclosure. The composite sandwich 800 includes an upper composite laminate 802 or skin, a core formed by plastic straws 806 bundled together, and a lower composite laminate 804.
El laminado compuesto superior 802 y el laminado compuesto inferior 804 incluyen una matriz polimérica que incrusta las fibras de carbono discontinuas orientadas aleatoriamente. La matriz polimérica incluye una mezcla de espumas de epoxi y poliuretano, que se forma durante el curado de una mezcla líquida de epoxi y poliuretano. Las fibras de carbono proporcionan el refuerzo de los laminados compuestos 802 y 804. Los expertos en la técnica apreciarán que la resina polimérica se puede utilizar para cualquier compuesto reforzado con fibras. Las fibras pueden ser fibras de carbono, fibras de vidrio o fibras de plástico, tales como poliamida (PA), poli(tereftalato de etileno) (PET, por sus siglas en inglés), polipropileno (PP) o polietileno (PE). The upper composite laminate 802 and the lower composite laminate 804 include a polymeric matrix that embeds the randomly oriented discontinuous carbon fibers. The polymeric matrix includes a blend of epoxy and polyurethane foams, which is formed during the curing of a liquid blend of epoxy and polyurethane. The carbon fibers provide the reinforcement for the composite laminates 802 and 804. Those skilled in the art will appreciate that the polymeric resin can be used for any fiber-reinforced composite. The fibers can be carbon fibers, glass fibers, or plastic fibers such as polyamide (PA), polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), or polyethylene (PE).
En algunas realizaciones, como se explica con más detalle a continuación, los laminados compuestos también pueden incluir fibras continuas orientadas o alineadas incrustadas en una matriz polimérica. Las fibras continuas orientadas o alineadas pueden tener un rendimiento mayor que las fibras discontinuas y pueden ser cosméticamente más atractivas que las fibras discontinuas, tales como las fibras tejidas, pero a un costo mayor. El laminado que incluye fibras continuas orientadas puede no estirarse como el laminado que incluye fibras discontinuas. Las fibras discontinuas pueden ser fibras de carbono recicladas de bajo coste, por ejemplo, fibras recicladas a partir de fibras de desecho del RTM u otras fuentes. Las fibras de desecho pueden costar menos que las fibras vírgenes no utilizadas. In some embodiments, as explained in more detail below, the composite laminates may also include oriented or aligned continuous fibers embedded in a polymeric matrix. Oriented or aligned continuous fibers may have higher performance than staple fibers and may be more cosmetically appealing than staple fibers, such as woven fibers, but at a higher cost. The laminate that includes oriented continuous fibers may not stretch like the laminate that includes staple fibers. The staple fibers may be low cost recycled carbon fibers, for example, fibers recycled from RTM scrap fibers or other sources. The scrap fibers may cost less than unused virgin fibers.
La resina polimérica puede tener un tiempo de gel de aproximadamente 40 segundos a aproximadamente 130°C. La resina polimérica se puede curar a unos 130°C en unos minutos. El tiempo de curado puede variar según el proveedor del epoxi. Por ejemplo, un epoxi de curado rápido EP05475 de Momentive puede curar más lentamente que un epoxi Voraforce 7500 de DOW Chemical. Específicamente, el tiempo de curado puede tardar unos 5 minutos para el epoxi de Momentive, mientras que el tiempo de curado para el epoxi de DOW Chemical puede tardar unos 3 minutos o menos. Cuando se cura la resina polimérica, el poliuretano puede formar microespumas mediante una reacción con agua(por ejemplo,condensación o pequeñas cantidades de agua contaminante) asociados con el poliuretano o el epoxi en la resina polimérica. En algunas realizaciones, el agua o la humedad en o adyacente a la resina polimérica se puede convertir en vapor mediante el calor del proceso de curado(por ejemplo,a unos 130 °C) que puede provocar una reacción con la resina polimérica, formando así una espuma en la resina polimérica. La resina polimérica puede contraerse durante el curado. La contracción se puede medir después del curado. La resina polimérica puede tener una contracción relativamente baja después del curado, tal como igual o menor que 3% en cualquier dimensión. Se desea una baja contracción para ayudar a producir componentes compuestos con precisión y consistencia dimensional. Polymeric resin may have a gel time of about 40 seconds at about 130°C. Polymeric resin can cure at about 130°C in a few minutes. Cure time may vary depending on the epoxy supplier. For example, a Momentive EP05475 fast cure epoxy may cure more slowly than a DOW Chemical Voraforce 7500 epoxy. Specifically, the cure time may take about 5 minutes for Momentive's epoxy, while the cure time for DOW Chemical's epoxy may take about 3 minutes or less. When polymeric resin cures, the polyurethane may form microfoams through a reaction with water (e.g., condensation or small amounts of water contaminant) associated with the polyurethane or epoxy in the polymeric resin. In some embodiments, water or moisture in or adjacent to the polymeric resin may be converted to vapor by the heat of the curing process (e.g., at about 130° C.) which may cause a reaction with the polymeric resin, thereby forming a foam in the polymeric resin. The polymeric resin may shrink during curing. The shrinkage may be measured after curing. The polymeric resin may have a relatively low shrinkage after curing, such as equal to or less than 3% in any dimension. Low shrinkage is desired to help produce composite components with dimensional accuracy and consistency.
Las fibras de carbono se pueden secar antes de aplicar la resina polimérica porque el poliuretano en la resina polimérica puede reaccionar químicamente con la humedad en las fibras a una temperatura elevada como se explicó anteriormente. En algunas realizaciones, dicha reacción química que produce formación de espuma puede no ser deseable. The carbon fibers may be dried prior to applying the polymeric resin because the polyurethane in the polymeric resin may chemically react with moisture in the fibers at an elevated temperature as explained above. In some embodiments, such a chemical reaction resulting in foaming may not be desirable.
La resina polimérica, que incluye una mezcla de un primer termoestable (por ejemplo, epoxi) y un segundo termoestable (por ejemplo, poliuretano), incluyendo opcionalmente un termoplástico (por ejemplo, fibras termoplásticas mezcladas) para mejorar la dureza (por ejemplo, resiliencia) de la resina polimérica curada o del material de carga, puede tener varios beneficios sobre el termoestable solo. Como se analizó anteriormente, la resina polimérica que incluye una mezcla de epoxi y poliuretano se une bien a los tubos de plástico y no se separa de ellos (por ejemplo, no se desprende) como la resina epoxi sola. Las microespumas ((por ejemplo, espumas de poliuretano) formadas a partir de la mezcla y/o durante el curado se adhieren al núcleo "duro" (por ejemplo, tubos de plástico) muy bien, de modo que los laminados compuestos no se despeguen del núcleo "duro". Por ejemplo, las microespumas así formadas pueden extenderse al menos parcialmente hacia el interior de las celdas o al menos llenar parcialmente las celdas (por ejemplo, extenderse a cierta distancia hacia los extremos abiertos de los tubos de plástico) para formar una fuerte unión mecánica con el núcleo "duro". Por el contrario, un epoxi convencional en el laminado compuesto no se adhiere al núcleo "duro" debido a la falta de espuma (por ejemplo, microespuma) en el mismo, sino que se descubrió que los laminados compuestos se despegaban fácilmente de los extremos del núcleo "duro". Polymeric resin, which includes a mixture of a first thermoset (e.g., epoxy) and a second thermoset (e.g., polyurethane), optionally including a thermoplastic (e.g., blended thermoplastic fibers) to enhance the toughness (e.g., resilience) of the cured polymeric resin or filler material, can have several benefits over the thermoset alone. As discussed above, polymeric resin that includes a mixture of epoxy and polyurethane bonds well to plastic pipes and does not separate from them (e.g., flake off) like epoxy resin alone. Microfoams (e.g. polyurethane foams) formed from mixing and/or during curing adhere to the "hard" core (e.g. plastic pipes) very well so that the composite laminates do not peel off the "hard" core. For example, the microfoams so formed may extend at least partially into the interior of the cells or at least partially fill the cells (e.g. extend some distance towards the open ends of plastic pipes) to form a strong mechanical bond with the "hard" core. In contrast, a conventional epoxy in the composite laminate does not adhere to the "hard" core due to the lack of foam (e.g. microfoam) therein, but rather the composite laminates were found to easily peel off the ends of the "hard" core.
Además, la resina polimérica también puede ser diferente del poliuretano como VITROX utilizado en Bayer Preg. Por ejemplo, las microespumas de poliuretano pueden permitir la permeación del agua a su través y pueden ser más blandas que el epoxi. La resina polimérica que incluye una mezcla de epoxi y poliuretano puede proporcionar una superficie dura para el sándwich compuesto y también puede ser más resistente al agua que el poliuretano solo. En algunas realizaciones, se puede usar una cantidad mayor de epoxi para impartir un carácter impermeable a la superficie de la pieza compuesta curada. En algunas realizaciones, se puede colocar una capa o capas de resinas epoxi o poliméricas que tienen un mayor % en volumen de epoxi sobre uno o más lados de la resina polimérica para impartirle un carácter impermeable. In addition, the polymeric resin may also be different from polyurethane such as VITROX used in Bayer Preg. For example, polyurethane microfoams may allow water to permeate through them and may be softer than epoxy. The polymeric resin that includes a blend of epoxy and polyurethane may provide a hard surface for the composite sandwich and may also be more water resistant than polyurethane alone. In some embodiments, a greater amount of epoxy may be used to impart an impermeable character to the surface of the cured composite part. In some embodiments, a layer or layers of epoxy or polymeric resins having a higher volume % of epoxy may be placed on one or more sides of the polymeric resin to impart an impermeable character to it.
La resina polimérica puede transferir carga entre fibras. Un termoestable puede tener una mejor capacidad de transferencia de carga que otro termoestable. Por ejemplo, el epoxi es más duro que el poliuretano y, por lo tanto, tiene una mejor capacidad de transferencia de carga para las fibras que el poliuretano, de modo que una mezcla de dos termoestables (por ejemplo, la mezcla de epoxi y poliuretano), opcionalmente un termoplástico (por ejemplo, fibras termoplásticas mezcladas) pueden tener un rendimiento mecánico mejorado. Un termoestable puede tener una mayor resiliencia que otro termoestable una vez curado. Por ejemplo, el poliuretano es más resistente que el epoxi (por ejemplo, Los epoxis sufren fallas frágiles (desmoronamiento) a presiones más bajas que los poliuretanos) y pueden permitir que una pieza que los incluye se flexione o doble en lugar de romperse. Polymeric resin can transfer load between fibers. One thermoset may have better load transfer capability than another thermoset. For example, epoxy is harder than polyurethane and therefore has better load transfer capability to fibers than polyurethane, so a blend of two thermosets (e.g. epoxy and polyurethane blend), optionally a thermoplastic (e.g. blended thermoplastic fibers) may have improved mechanical performance. One thermoset may have higher resilience than another thermoset once cured. For example, polyurethane is tougher than epoxy (e.g. epoxies suffer brittle failure (crumble) at lower pressures than polyurethanes) and may allow a part that includes them to flex or bend rather than break.
Estructuras tipo sándwich compuestas Composite sandwich structures
Las resinas y fibras poliméricas descritas anteriormente se pueden usar para fabricar estructuras compuestas tales como un sándwich compuesto como se describe a continuación. Un laminado compuesto adecuado para su uso en las estructuras compuestas de la presente invención puede formarse usando una o más capas de fibras(porejemplo,láminas de fibra) unidas al menos parcialmente en una resina polimérica. Cualquiera de las resinas poliméricas descritas en el presente documento se puede utilizar para formar cualquiera de las estructuras laminadas compuestas descritas en el presente documento, sin limitación. The polymeric resins and fibers described above can be used to make composite structures such as a composite sandwich as described below. A composite laminate suitable for use in the composite structures of the present invention can be formed using one or more layers of fibers (e.g., fiber sheets) at least partially bonded in a polymeric resin. Any of the polymeric resins described herein can be used to form any of the composite laminate structures described herein, without limitation.
FIG. 9 ilustra un sándwich compuesto según una realización de la invención. Como se muestra, un sándwich compuesto 900 puede incluir un núcleo 906 intercalado entre laminados compuestos. Específicamente, el sándwich compuesto 900 puede incluir uno o más laminados compuestos (por ejemplo, una o más capas de laminado compuesto), tales como dos laminados compuestos 908A-B en la parte inferior del núcleo 906, y un laminado compuesto superior 904. En algunas realizaciones, el núcleo 906 puede incluir uno o más componentes "duros" tales como los formados a partir de una pluralidad de celdas definidas por las correspondientes paredes de celdas (por ejemplo, tubos de plástico como pajitas u otras estructuras equivalentes). El núcleo 906 puede incluir una pluralidad (por ejemplo, manojo) de al menos miembros tubulares orientados de manera similar (por ejemplo, celdas de policarbonato, como pajitas), como los tubos 1 y 2. Los tubos pueden unirse entre sí, por ejemplo, mediante formación integral (por ejemplo, extruidos o moldeados juntos), un adhesivo, unión térmica (por ejemplo, fusión) tales como unirse entre sí después de extruirse individualmente, o cualquier otro medio de unión adecuado. Los tubos pueden estar compuestos para ablandar o fundir al menos parcialmente una aplicación de una cantidad específica de calor. Por ejemplo, los tubos pueden estar compuestos para ablandar o fundir y al menos parcialmente comprimirse, mientras están en un molde de manera que la estructura tipo sándwich resultante pueda cumplir al menos parcialmente con la forma de un molde. La longitud de cada uno de los tubos antes de la compresión se puede seleccionar para proporcionar una cantidad deseada de elasticidad tras la aplicación de calor y/o presión a los mismos. Por ejemplo, la longitud o altura de los tubos puede ser de aproximadamente 100 |jm a aproximadamente 10 cm, de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 cm, de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 3 cm, de aproximadamente 250 jm a aproximadamente 1 cm, aproximadamente 1 cm a aproximadamente 5 cm, aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 mm, aproximadamente 5 mm a aproximadamente 1 cm, aproximadamente 7 mm o aproximadamente 1 cm. Los tubos pueden presentar una altura y/o diámetro sustancialmente similar. Por ejemplo, los tubos pueden presentar un diámetro de aproximadamente 1 mm o más, tal como de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 cm, de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 3 cm, de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 1 cm, de aproximadamente 6 mm, menos de aproximadamente 2 cm, o menos de aproximadamente 1 cm. Mientras que las celdas (por ejemplo, tubos) representados en el presente documento tienen una forma de sección transversal circular, las celdas pueden exhibir formas de sección transversal sustancialmente poligonales (por ejemplo, triangular, rectangular, pentagonal, etc.), formas de sección transversal elíptica o formas amorfas (por ejemplo, sin patrón establecido o siendo una combinación de circular y poligonal), cuando se ve a lo largo de su eje longitudinal. Las celdas pueden estar definidas por una única estructura integral con paredes comunes entre celdas o tubos adyacentes. Si bien el término "celdas" o "tubos" se usa en el presente documento, en algunas realizaciones las celdas o tubos pueden incluir uno o más extremos cerrados; o exhibir configuraciones distintas a las tubulares (por ejemplo, circular), como poligonal (por ejemplo, una pluralidad de celdas pentagonales cerradas o abiertas), o configuraciones que no tienen lados conectados entre ellas (por ejemplo, deflectores). FIG. 9 illustrates a composite sandwich according to one embodiment of the invention. As shown, a composite sandwich 900 may include a core 906 sandwiched between composite laminates. Specifically, the composite sandwich 900 may include one or more composite laminates (e.g., one or more composite laminate layers), such as two composite laminates 908A-B on the bottom of the core 906, and an upper composite laminate 904. In some embodiments, the core 906 may include one or more "hard" components such as those formed from a plurality of cells defined by corresponding cell walls (e.g., plastic tubes such as straws or other equivalent structures). The core 906 may include a plurality (e.g., bundle) of at least similarly oriented tubular members (e.g., polycarbonate cells, such as straws), such as tubes 1 and 2. The tubes may be joined together, for example, by integral formation (e.g., extruded or molded together), an adhesive, thermal bonding (e.g., fusion) such as joining together after being individually extruded, or any other suitable joining means. The tubes may be composed to at least partially soften or melt upon application of a specific amount of heat. For example, the tubes may be composed to soften or melt and at least partially compress, while in a mold such that the resulting sandwich structure can at least partially conform to the shape of a mold. The length of each of the tubes prior to compression may be selected to provide a desired amount of elasticity upon application of heat and/or pressure thereto. For example, the length or height of the tubes may be about 100 µm to about 10 cm, about 1 mm to about 5 cm, about 5 mm to about 3 cm, about 250 µm to about 1 cm, about 1 cm to about 5 cm, about 1 mm to about 5 mm, about 5 mm to about 1 cm, about 7 mm, or about 1 cm. The tubes may have a substantially similar height and/or diameter. For example, the tubes may have a diameter of about 1 mm or more, such as about 1 mm to about 5 cm, about 3 mm to about 3 cm, about 5 mm to about 1 cm, about 6 mm, less than about 2 cm, or less than about 1 cm. While the cells (e.g., tubes) depicted herein have a circular cross-sectional shape, the cells may exhibit substantially polygonal cross-sectional shapes (e.g., triangular, rectangular, pentagonal, etc.), elliptical cross-sectional shapes, or amorphous shapes (e.g., with no set pattern or being a combination of circular and polygonal), when viewed along their longitudinal axis. The cells may be defined by a single integral structure with common walls between adjacent cells or tubes. While the term "cells" or "tubes" is used herein, in some embodiments the cells or tubes may include one or more closed ends; or exhibit configurations other than tubular (e.g., circular), such as polygonal (e.g., a plurality of closed or open pentagonal cells), or configurations having no sides connected to each other (e.g., baffles).
En algunas realizaciones, el núcleo 906 puede incluir un componente "blando" tal como cartón o cartulina. El cartón o cartulina pueden proporcionar características de amortiguación del sonido a la estructura tipo sándwich resultante. En algunas realizaciones, el sándwich compuesto puede incluir una o más capas de componentes blandos y/o duros, como en el núcleo o que tienen núcleos alternos de componentes blandos y duros con uno o más laminados compuestos entre ellos. En algunas realizaciones, el sándwich compuesto puede incluir uno o más materiales centrales en uno o más laminados compuestos (por ejemplo, interpuestos entre 908A y 908B). En algunas realizaciones, el sándwich compuesto puede incluir uno o más materiales de núcleo entre laminados compuestos. In some embodiments, the core 906 may include a "soft" component such as cardboard or paperboard. The cardboard or paperboard may provide sound dampening characteristics to the resulting sandwich structure. In some embodiments, the composite sandwich may include one or more layers of soft and/or hard components, such as in the core or having alternating cores of soft and hard components with one or more composite laminates between them. In some embodiments, the composite sandwich may include one or more core materials in one or more composite laminates (e.g., interposed between 908A and 908B). In some embodiments, the composite sandwich may include one or more core materials between composite laminates.
Los laminados compuestos 904 y 908A-B pueden estar formados por fibras 910, tales como fibras discontinuas orientadas aleatoriamente(porejemplo,los mostrados en las FIGS. 6 y 7) como se muestra, o fibras continuas, con resina polimérica curada en su interior. Las fibras pueden incluir cualquier fibra descrita en el presente documento, tal como fibras de carbono. Composite laminates 904 and 908A-B may be formed from fibers 910, such as randomly oriented staple fibers (e.g., those shown in FIGS. 6 and 7) as shown, or continuous fibers, with cured polymeric resin therein. The fibers may include any fibers described herein, such as carbon fibers.
En algunas realizaciones, el laminado compuesto superior 904 puede imprimir ligeramente(porejemplo,extendido) hacia un extremo del núcleo 906 en cada una de las celdas(por ejemplo,tubos) entre las paredes laterales 912, tal como extendiéndose hacia un punto en las mismas, como se muestra mediante la línea discontinua 914A. Los laminados compuestos inferiores 908A y 908B también pueden imprimirse ligeramente hacia un extremo opuesto de cada tubo (por ejemplo, tubos 1-8) entre las paredes laterales 912, tal como extendiéndose hacia un punto en el mismo, como se muestra mediante la línea discontinua 914B. Tal impresión puede proporcionar una unión mecánica entre el núcleo 906 y la capa laminada compuesta que se extiende en el mismo. Los laminados pueden imprimirse en mayor medida adyacentes al centro de cada abertura o celda del tubo, debido a la distancia desde la pared lateral que soporta el laminado compuesto. La impresión o protuberancia de los laminados compuestos 908A o 908B puede causar una muesca correspondiente en las capas exteriores adyacentes del material compuesto, que puede extenderse hasta la superficie del material compuesto en el sándwich compuesto. Este fenómeno se denomina "impresión directa". La impresión directa puede ser más profunda adyacente al centro de la porción de tubos del extremo abierto que cerca de las paredes laterales 912. Los laminados compuestos 904 y 908A y 908B pueden tener una impresión desde el núcleo 906 que da como resultado una depresión superficial o hendiduras en una o más porciones del sándwich compuesto 900, tal como en el laminado compuesto 904, 908A o 908B, y/o una capa de tela no rizada. En algunas realizaciones (no mostradas), la resina polimérica puede extenderse sustancialmente por completo dentro del núcleo 906 desde uno o ambos lados del mismo. In some embodiments, the upper composite laminate 904 may be printed slightly (e.g., extended) toward one end of the core 906 in each of the cells (e.g., tubes) between the sidewalls 912, such as extending toward a point therein, as shown by dashed line 914A. The lower composite laminates 908A and 908B may also be printed slightly toward an opposite end of each tube (e.g., tubes 1-8) between the sidewalls 912, such as extending toward a point therein, as shown by dashed line 914B. Such printing may provide a mechanical bond between the core 906 and the composite laminate layer extending therein. The laminates may be printed to a greater extent adjacent to the center of each opening or cell of the tube, due to the distance from the sidewall supporting the composite laminate. The imprinting or protrusion of the composite laminates 908A or 908B may cause a corresponding indentation in adjacent outer layers of the composite material, which may extend to the surface of the composite material in the composite sandwich. This phenomenon is referred to as "direct imprinting." The direct imprinting may be deeper adjacent the center of the open end tube portion than near the side walls 912. The composite laminates 904 and 908A and 908B may have an imprint from the core 906 that results in a shallow depression or indentations in one or more portions of the composite sandwich 900, such as in the composite laminate 904, 908A, or 908B, and/or a non-crimped fabric layer. In some embodiments (not shown), the polymeric resin may extend substantially completely into the core 906 from one or both sides thereof.
Las capas de laminado compuesto individuales pueden tener aproximadamente 0,2 mm de espesor o más cuando se cura una resina polimérica que incrusta las fibras. Los sándwiches compuestos resultantes, que tienen una o más capas de laminados y/o núcleos compuestos, pueden tener aproximadamente 0,4 mm de espesor o más, tal como aproximadamente 0,4 mm de espesor a aproximadamente 20 cm de espesor, aproximadamente 0,6 mm de espesor a aproximadamente 10 cm de espesor, aproximadamente 2 mm de espesor a aproximadamente 5 cm de espesor, aproximadamente 5 mm de espesor a aproximadamente 2 cm de espesor, aproximadamente 1 mm de espesor o aproximadamente 5 mm de espesor. The individual composite laminate layers may be about 0.2 mm thick or more when a polymeric resin embedding the fibers is cured. The resulting composite sandwiches, having one or more layers of laminates and/or composite cores, may be about 0.4 mm thick or more, such as about 0.4 mm thick to about 20 cm thick, about 0.6 mm thick to about 10 cm thick, about 2 mm thick to about 5 cm thick, about 5 mm thick to about 2 cm thick, about 1 mm thick, or about 5 mm thick.
El sándwich compuesto 900 también puede incluir un refuerzo de tela no rizada ("NCF", por sus siglas en inglés) 902 o un tela tejida encima del laminado compuesto 904. El NCF puede estar compuesto por dos o más pliegues o capas de fibras continuas unidireccionales o, en algunos casos, fibras discontinuas orientadas aleatoriamente, o una mezcla de las mismas. Cada capa individual puede estar orientada en un eje diferente o un ángulo diferente con respecto a otra capa, por ejemplo, 0° y 90°, o 45° entre cualquier otro ángulo. Dependiendo del número de capas y las orientaciones de cada capa, se puede ensamblar una configuración unidireccional, biaxial, triaxial o mayor en un sistema de tejido NCF. El NCF o tela tejida puede incluir una resina polimérica en su interior. La resina polimérica puede configurarse para proporcionar un acabado superficial satisfactorio al sándwich compuesto 900. En una realización, el NCF 902 puede tener una configuración biaxial (por ejemplo, fibras que tienen una proporción relativa de 0° y 90° entre ellas). El NCF biaxial tiene resistencia y rigidez bidireccionales y resistencia y rigidez flexibles. El NCF puede proporcionar mayores cargas de extracción o resistencia a la tracción en áreas altamente cargadas que los laminados compuestos por sí solos. El NCF 902 también puede reducir la impresión desde el núcleo compuesto. El sándwich compuesto 900 puede usarse para producir pisos de automóviles, entre otras aplicaciones. El sándwich compuesto 900 también puede ser utilizado para la carrocería de un automóvil (por ejemplo, superficie acabada) con el NCF 902 mirando hacia el exterior de la carrocería del automóvil. El sándwich compuesto 900 también puede incluir otro NCF (no mostrado) en los laminados compuestos inferiores 908A-B para aumentar la tenacidad (por ejemplo, carga de extracción) del sándwich compuesto. The composite sandwich 900 may also include a non-crimped fabric ("NCF") reinforcement 902 or a woven fabric on top of the composite laminate 904. The NCF may be composed of two or more plies or layers of unidirectional continuous fibers or, in some cases, randomly oriented staple fibers, or a mixture thereof. Each individual layer may be oriented on a different axis or a different angle relative to another layer, for example, 0° and 90°, or 45° between any other angles. Depending on the number of layers and the orientations of each layer, a unidirectional, biaxial, triaxial, or greater configuration may be assembled into an NCF fabric system. The NCF or woven fabric may include a polymeric resin therein. The polymeric resin may be configured to provide a satisfactory surface finish to the composite sandwich 900. In one embodiment, the NCF 902 may have a biaxial configuration (e.g., fibers having a relative ratio of 0° and 90° to each other). The biaxial NCF has bi-directional strength and stiffness and flexible strength and stiffness. The NCF may provide higher pull-out loads or tensile strength in highly loaded areas than the composite laminates alone. The NCF 902 may also reduce printing from the composite core. The composite sandwich 900 may be used to produce automotive floors, among other applications. The composite sandwich 900 may also be used for an automotive body (e.g., finished surface) with the NCF 902 facing the exterior of the automotive body. The composite sandwich 900 may also include another NCF (not shown) in the lower composite laminates 908A-B to increase the toughness (e.g., pull-out load) of the composite sandwich.
FIG. 10 ilustra un sándwich compuesto de acuerdo con una realización. Como se muestra, el sándwich compuesto 1000 puede incluir un núcleo liviano intercalado entre laminados compuestos. Específicamente, el sándwich compuesto 1000 puede incluir uno o más laminados compuestos. Por ejemplo, dos laminados compuestos 1004A-B en la parte inferior del núcleo 906 y dos laminados compuestos superiores 1002A-B en la parte superior del núcleo 906. Cada uno de los laminados compuestos 1002A-B y 1004A-B puede formarse a partir de fibras 910, tales como una lámina de fibra o una malla de fibra que incluye fibras discontinuas orientadas aleatoriamente(por ejemplo,los mostrados en las FIGS. 6 y 7) como se muestra, o fibras continuas, con resina polimérica curada. Los laminados compuestos 1002A-B y 1004A-B también pueden tener impresión desde el núcleo 906. Los laminados compuestos superiores 1002A y 1002<b>pueden imprimirse ligeramente hacia un extremo de cada tubo(por ejemplo,tubos 1-8) entre la pared lateral 912, tal como extendiéndose hacia un punto en la misma, como se muestra mediante la línea discontinua 1014A. De manera similar, los laminados compuestos inferiores 1004A y 1004B pueden imprimirse ligeramente hacia un extremo opuesto de cada tubo, por ejemplo, extendiéndose hacia un punto del mismo, como se muestra mediante la línea discontinua 1014B. Los laminados pueden imprimirse en mayor medida cerca de la mitad de cada tubo, debido a la distancia desde la(s) pared(es) lateral(es) 912 que soportan el laminado compuesto. En una realización, el sándwich compuesto 1000 puede no incluir un NCF, de modo que puede tener una carga de extracción menor que el sándwich compuesto 900 que incluye NCF. El sándwich compuesto 1000 puede no tener el mismo atractivo cosmético que el sándwich compuesto 900 debido a las fibras orientadas aleatoriamente en los laminados compuestos del sándwich compuesto 1000, pero puede usarse para fabricar componentes, incluyendo mamparas delanteras y traseras para automóviles. FIG. 10 illustrates a composite sandwich according to one embodiment. As shown, the composite sandwich 1000 may include a lightweight core sandwiched between composite laminates. Specifically, the composite sandwich 1000 may include one or more composite laminates. For example, two composite laminates 1004A-B on the bottom of the core 906 and two upper composite laminates 1002A-B on top of the core 906. Each of the composite laminates 1002A-B and 1004A-B may be formed from fibers 910, such as a fiber sheet or a fiber mat that includes randomly oriented staple fibers (e.g., those shown in FIGS. 6 and 7) as shown, or continuous fibers, with cured polymeric resin. Composite laminates 1002A-B and 1004A-B may also be printed from core 906. Upper composite laminates 1002A and 1002 may be printed slightly toward one end of each tube (e.g., tubes 1-8) between sidewall 912, such as extending toward a point therein, as shown by dashed line 1014A. Similarly, lower composite laminates 1004A and 1004B may be printed slightly toward an opposite end of each tube, e.g., extending toward a point therein, as shown by dashed line 1014B. The laminates may be printed to a greater extent near the middle of each tube, due to the distance from sidewall(s) 912 supporting the composite laminate. In one embodiment, the composite sandwich 1000 may not include an NCF, such that it may have a lower pull-out load than the composite sandwich 900 that includes NCF. The composite sandwich 1000 may not have the same cosmetic appeal as the composite sandwich 900 due to the randomly oriented fibers in the composite laminates of the composite sandwich 1000, but may be used to manufacture components, including front and rear bulkheads for automobiles.
En algunas realizaciones, el núcleo 906 puede estar formado por una pluralidad de tubos(por ejemplo,una estructura unitaria que incluye una pluralidad de tubos de policarbonato coextruidos que comparten paredes comunes), similar a las pajitas para beber. En algunas realizaciones, el núcleo 906 puede estar formado por una pluralidad de tubos(por ejemplo,celdas o miembros tubulares) que se extruyen individualmente y se unen entre sí a partir de entonces. El núcleo puede tener una densidad de aproximadamente 70 kg/m3 y una altura de celda de aproximadamente 7 mm. El núcleo 906 puede tener una densidad de aproximadamente 20 kg/m3 o más, tal como de aproximadamente 20 kg/m3 a aproximadamente 150 kg/m3, de aproximadamente 40 kg/m3 a aproximadamente 100 kg/m3, de aproximadamente 60 kg/m3 a aproximadamente 80 kg /m3, o aproximadamente 65 kg/m3 a aproximadamente 75 kg/m3. El núcleo puede tener una altura de celda inicial de aproximadamente 100 |jm a aproximadamente 10 cm, aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 cm, aproximadamente 5 mm a aproximadamente 3 cm, aproximadamente 250 jm a aproximadamente 1 cm, aproximadamente 1 cm a aproximadamente 5 cm, aproximadamente 1 mm a aproximadamente 5 mm, aproximadamente 5 mm a aproximadamente 1 cm, aproximadamente 7 mm o aproximadamente 1 cm. El uso de policarbonato, polietileno, polipropileno u otros plásticos en el núcleo puede proporcionar una mayor resistencia al desgarro al aplicar tensión al núcleo que la que se encuentra en el cartón o cartulina. Por ejemplo, el núcleo puede incluir una pluralidad de tubos de policarbonato formados integralmente (por ejemplo, una pluralidad de estructuras de extremos abiertos unidas entre sí), que pueden doblarse colectivamente o de otro modo distorsionarse en una o más regiones tras la aplicación de tensión, calor y/o o presión en un molde, mientras que el cartón puede romperse en las mismas condiciones. En algunas realizaciones, el núcleo puede doblarse, comprimirse o estirarse en una o más regiones del mismo, dependiendo de la geometría del molde y la dimensión terminada deseada de una pieza que lo incluye. In some embodiments, the core 906 may be formed from a plurality of tubes (e.g., a unitary structure including a plurality of coextruded polycarbonate tubes that share common walls), similar to drinking straws. In some embodiments, the core 906 may be formed from a plurality of tubes (e.g., cells or tubular members) that are individually extruded and joined together thereafter. The core may have a density of about 70 kg/m3 and a cell height of about 7 mm. The core 906 may have a density of about 20 kg/m3 or more, such as about 20 kg/m3 to about 150 kg/m3, about 40 kg/m3 to about 100 kg/m3, about 60 kg/m3 to about 80 kg/m3, or about 65 kg/m3 to about 75 kg/m3. The core may have an initial cell height of about 100 µm to about 10 cm, about 1 mm to about 5 cm, about 5 mm to about 3 cm, about 250 µm to about 1 cm, about 1 cm to about 5 cm, about 1 mm to about 5 mm, about 5 mm to about 1 cm, about 7 mm, or about 1 cm. The use of polycarbonate, polyethylene, polypropylene, or other plastics in the core may provide greater tear resistance upon applying stress to the core than is found in paperboard or cardstock. For example, the core may include a plurality of integrally formed polycarbonate tubes (e.g., a plurality of open-ended structures joined together), which may collectively bend or otherwise distort in one or more regions upon application of stress, heat, and/or pressure in a mold, whereas paperboard may tear under the same conditions. In some embodiments, the core may be bent, compressed, or stretched in one or more regions thereof, depending on the geometry of the mold and the desired finished dimension of a part including it.
En algunas realizaciones, el núcleo puede comprimirse completamente para formar una sustancia sólida o puede comprimirse parcialmente para reducir la altura del núcleo. La altura del núcleo comprimido puede ser aproximadamente el 15 % o más de la altura del núcleo inicial, tal como aproximadamente el 15 % a aproximadamente el 90 %, aproximadamente el 25 % a aproximadamente el 75 %, aproximadamente el 40 % a aproximadamente el 60 %, aproximadamente el 15 % a aproximadamente el 50 %, o aproximadamente el 15% de la altura inicial del núcleo. Se apreciará que el número de laminados compuestos puede variar en la parte superior e inferior del sándwich compuesto, tal como tener diferentes capas o materiales en su interior. La dimensión y la densidad del núcleo pueden variar, como tener más celdas (por ejemplo, tubos) en una o más regiones de los mismos, que tienen celdas de diámetro mayor o menor en una o más regiones de los mismos que en regiones adyacentes, que tienen una o más regiones que incluyen tubos que tienen diferentes (por ejemplo, menores o mayores) espesores de pared que los tubos en regiones adyacentes, o combinaciones de cualquiera de los anteriores. El peso de la lámina de fibra o NCF puede variar. In some embodiments, the core may be fully compressed to form a solid substance or may be partially compressed to reduce the height of the core. The height of the compressed core may be about 15% or more of the initial core height, such as about 15% to about 90%, about 25% to about 75%, about 40% to about 60%, about 15% to about 50%, or about 15% of the initial core height. It will be appreciated that the number of composite laminates may vary at the top and bottom of the composite sandwich, such as having different layers or materials therein. The core dimension and density may vary, such as having more cells (e.g., tubes) in one or more regions thereof, having cells of larger or smaller diameter in one or more regions thereof than in adjacent regions, having one or more regions that include tubes having different (e.g., smaller or larger) wall thicknesses than tubes in adjacent regions, or combinations of any of the above. The weight of the fiber sheet or NCF may vary.
Una o más de las láminas o capas de fibra de carbono reforzada (RCF, por sus siglas en inglés)(porejemplo,908A, 908B, 904, 1002A, 1002B, 1004A, 1004B) formadas con fibras discontinuas orientadas aleatoriamente pueden tener una masa o peso de aproximadamente 150 g/m2 o más, tal como de aproximadamente 150 g/m2 a aproximadamente 500 g/m2, aproximadamente 175 g/m2 a aproximadamente 350 g/m2, aproximadamente 200 g/m2 o aproximadamente 300 g/m2. Las fibras de carbono de la lámina RCF pueden ser fibras recicladas o fibras vírgenes. El RCF puede incluir fibras de desecho, tales como de desechos secos de NCF, desechos secos de moldeo por transferencia de resina (RTM) u otras fibras secas sobrantes. Por ejemplo, la fibra de carbono Toray T700 60E se puede cortar a partir de residuos secos de NCF hasta obtener una fibra de 35 mm y luego formar una lámina de fibra orientada aleatoriamente con una densidad de área de aproximadamente 200 g/m2. Una capa adicional de NCF puede tener una masa o peso de aproximadamente 300 g/m2 para reforzar aún más el compuesto. One or more of the carbon fiber reinforced (RCF) sheets or layers (e.g., 908A, 908B, 904, 1002A, 1002B, 1004A, 1004B) formed from randomly oriented staple fibers may have a mass or weight of about 150 g/m2 or more, such as about 150 g/m2 to about 500 g/m2, about 175 g/m2 to about 350 g/m2, about 200 g/m2, or about 300 g/m2. The carbon fibers in the RCF sheet may be recycled fibers or virgin fibers. The RCF may include waste fibers, such as from dry NCF waste, dry resin transfer molding (RTM) waste, or other leftover dry fibers. For example, Toray T700 60E carbon fiber can be cut from dry NCF waste to a 35 mm fiber and then formed into a randomly oriented fiber sheet with an areal density of approximately 200 g/m2. An additional NCF layer can have a mass or weight of approximately 300 g/m2 to further reinforce the composite.
FIG. 11 es una vista en sección transversal de una realización de un componente formado por un sándwich compuesto, un inserto metálico y reforzado con un NCF. Como se muestra, componente 1100 puede incluir un núcleo compuesto 1106 entre uno o más laminados compuestos superiores 1104 y uno o más laminados compuestos inferiores 1108. Cada uno de los laminados compuestos 1104 y 1108 puede formarse a partir de fibras, tales como una lámina de fibra o una malla de fibra que incluye fibras discontinuas orientadas aleatoriamente(por ejemplo,los mostrados en las Figs. 6 y 7) como se muestra, o fibras continuas, con resina polimérica curada. El componente 1100 puede incluir un inserto metálico 1114 entre el núcleo 1106 y uno o más laminados compuestos, tales como el laminado compuesto 1108. El inserto metálico 1114 puede incluir una o más superficies que se extienden paralelas a las capas del sándwich compuesto, tal como la región sin inclinación 1118. El inserto metálico 1114 puede incluir una o más superficies que se extienden no paralelas a las capas del sándwich compuesto, tal como la(s) región(es) inclinada(s) 1116. En algunas realizaciones, el inserto puede ser un no metal tal como un polímero o una cerámica. En algunas realizaciones, uno o más de los laminados compuestos superiores o inferiores pueden incluir una o más capas de laminados compuestos y/o NCF. FIG. 11 is a cross-sectional view of one embodiment of a component formed by a composite sandwich, a metal insert, and reinforced with an NCF. As shown, component 1100 may include a composite core 1106 between one or more upper composite laminates 1104 and one or more lower composite laminates 1108. Each of the composite laminates 1104 and 1108 may be formed from fibers, such as a fiber sheet or a fiber mat that includes randomly oriented staple fibers (e.g., those shown in FIGS. 6 and 7) as shown, or continuous fibers, with cured polymeric resin. Component 1100 may include a metal insert 1114 between core 1106 and one or more composite laminates, such as composite laminate 1108. Metal insert 1114 may include one or more surfaces extending parallel to the layers of the composite sandwich, such as non-tilt region 1118. Metal insert 1114 may include one or more surfaces extending non-parallel to the layers of the composite sandwich, such as tilted region(s) 1116. In some embodiments, the insert may be a non-metal such as a polymer or a ceramic. In some embodiments, one or more of the top or bottom composite laminates may include one or more layers of composite laminates and/or NCFs.
El núcleo compuesto 1106 puede comprimirse parcialmente o completamente alrededor del inserto metálico 1114 para adaptarse al menos parcialmente a la forma del inserto metálico 1114. El núcleo compuesto 1106 puede incluir uno o más de una porción 1106<a>sin comprimir, una porción 1106B de transición parcialmente comprimida y una porción 1106C completamente comprimida(porejemplo,sólido) que rodea el inserto metálico 1114. La porción de transición parcialmente comprimida 1106B se puede colocar entre la porción de transición 1106C completamente comprimida y la porción de transición 1106B a lo largo de la región inclinada 1116 del inserto metálico 1114. En algunas realizaciones, el inserto metálico puede incluir, entre otros, un metal liviano, tal como aluminio, titanio, magnesio, aleaciones que incluyen uno o más de los mismos, o combinaciones de cualquiera de los anteriores. La porción 1106C completamente comprimido puede estar ubicado por encima de la región sin inclinación 1118. The composite core 1106 may be partially or completely compressed around the metal insert 1114 to at least partially conform to the shape of the metal insert 1114. The composite core 1106 may include one or more of an uncompressed portion 1106, a partially compressed transition portion 1106B, and a fully compressed (e.g., solid) portion 1106C surrounding the metal insert 1114. The partially compressed transition portion 1106B may be positioned between the fully compressed transition portion 1106C and the transition portion 1106B along the inclined region 1116 of the metal insert 1114. In some embodiments, the metal insert may include, but is not limited to, a lightweight metal, such as aluminum, titanium, magnesium, alloys including one or more thereof, or combinations of any of the foregoing. The fully compressed portion 1106C may be located above the untilted region 1118.
El componente 1100 también puede incluir un NCF 1102 encima de los laminados compuestos superiores 1104. El NCF 1102 puede proporcionar una mayor carga de extracción en una dirección sustancialmente paralela al plano del laminado compuesto (a lo largo del eje Y), sustancialmente perpendicular a la sección transversal (plano X-Z) del componente 1100 como se muestra en la FIG.11. Component 1100 may also include an NCF 1102 above the upper composite laminates 1104. NCF 1102 may provide increased pullout load in a direction substantially parallel to the plane of the composite laminate (along the Y axis), substantially perpendicular to the cross section (X-Z plane) of component 1100 as shown in FIG. 11.
Un sándwich compuesto que incluye un NCF puede proporcionar suficiente resistencia para permitir que el sándwich compuesto, tal como se muestra en las FIGS. 9 y 11, para ser utilizado para montajes de asientos en automóviles. El montaje del asiento puede requerir que el compuesto tenga una carga de extracción elevada. Si el montaje del asiento está formado por un sándwich compuesto que incluye un NCF en la parte superior(por ejemplo,más externo a) de al menos uno de los laminados compuestos o en ambos el compuesto superior laminados y laminados compuestos inferiores, el NCF puede ayudar a evitar que el cinturón de seguridad se salga del montaje del asiento. Por ejemplo, cuando un automóvil se detiene repentinamente, el cinturón de seguridad puede tirarse repentinamente, aplicando así una carga de tracción sobre el montaje del asiento, que puede atravesar el laminado compuesto. Al agregar el NCF, se puede aumentar la carga de tracción para proporcionar más soporte de modo que el cinturón de seguridad no se salga de los laminados compuestos del montaje del asiento. A composite sandwich that includes an NCF may provide sufficient strength to allow the composite sandwich, as shown in FIGS. 9 and 11, to be used for seat assemblies in automobiles. The seat assembly may require the composite to have a high pullout load. If the seat assembly is formed from a composite sandwich that includes an NCF on the top (e.g., outermost) of at least one of the composite laminates or on both the top composite laminates and bottom composite laminates, the NCF may help prevent the seat belt from pulling out of the seat assembly. For example, when an automobile suddenly stops, the seat belt may suddenly pull, thereby applying a tensile load on the seat assembly, which may pull through the composite laminate. By adding the NCF, the tensile load may be increased to provide more support so that the seat belt does not pull out of the composite laminates of the seat assembly.
FIG. 12 es un diagrama de flujo de un método para formar una estructura laminada compuesta de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación. El método 1200 puede incluir mezclar una resina polimérica en una acción 1202. Según realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la resina polimérica puede incluir cualquier resina polimérica aquí divulgada. Según la invención, la resina polimérica puede incluir un poliuretano y un epoxi, teniendo el epoxi una mayor capacidad de transferencia de carga que el poliuretano. En una realización, la resina polimérica puede incluir uno o más de un epoxi, un poliuretano, un termoplástico, un endurecedor, un material de carga o un material metálico del Grupo VIII según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento. FIG. 12 is a flow diagram of a method for forming a composite laminate structure according to embodiments of the present disclosure. The method 1200 may include mixing a polymeric resin in an action 1202. According to embodiments beyond the scope of the appended claims, the polymeric resin may include any polymeric resin disclosed herein. According to the invention, the polymeric resin may include a polyurethane and an epoxy, the epoxy having a greater load transfer capacity than the polyurethane. In one embodiment, the polymeric resin may include one or more of an epoxy, a polyurethane, a thermoplastic, a toughener, a filler, or a Group VIII metallic material according to any of the embodiments described herein.
Mezclar la resina polimérica puede incluir mezclar la resina poliméricain situo antes de aplicar la resina polimérica. En realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, la mezcla de la resina poliméricain situpuede incluir mezclar la resina polimérica aplicando un primer componente(por ejemplo,poliuretano) de una resina polimérica a un componente precursor de una estructura laminada compuesta tal como una lámina de fibra en una pila, aplicando al menos un segundo componente(por ejemplo,uno o más de un epoxi, endurecedor, carga, metal del Grupo VIII y/o termoplástico) de la resina polimérica al mismo componente precursor o a un componente precursor diferente(por ejemplo,una segunda lámina de fibra en la pila) de la estructura laminada compuesta, y hacer que el primer componente y al menos un segundo componente entren en contacto entre sí. En una realización, hacer que el primer componente y al menos un segundo componente entren en contacto entre sí puede incluir presionar láminas de fibra adyacentes que tienen el primer componente y al menos un segundo componente de manera que el primer y al menos un segundo componente de la resina polimérica entren en contacto entre sí. En una realización que va más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, aplicando un primer componente(por ejemplo,poliuretano) de una resina polimérica y aplicando al menos un segundo componente(por ejemplo,epoxi y/o termoplástico) de la resina polimérica al mismo componente o a un componente diferente de la estructura laminada compuesta, y hacer que el primer componente y al menos un segundo componente entren en contacto entre sí puede incluir aplicar el primer componente y al menos un segundo componente en contacto directo entre sí, como en capas directamente adyacentes(porejemplo,contactar láminas de fibra de carbono). Dicha aplicación podrá ser por esparcimiento o pulverización manual. Por ejemplo, el primer componente se puede aplicar a la lámina de fibra de carbono en un lado adyacente a la pieza inicial de núcleo y el segundo componente se puede aplicar a un lado opuesto de la lámina de fibra. Mixing the polymeric resin may include mixing the polymeric resin in situ prior to applying the polymeric resin. In embodiments beyond the scope of the appended claims, mixing the polymeric resin in situ may include mixing the polymeric resin by applying a first component (e.g., polyurethane) of a polymeric resin to a precursor component of a composite laminate structure such as a fiber sheet in a stack, applying at least a second component (e.g., one or more of an epoxy, hardener, filler, Group VIII metal, and/or thermoplastic) of the polymeric resin to the same or a different precursor component (e.g., a second fiber sheet in the stack) of the composite laminate structure, and causing the first component and at least one second component to come into contact with each other. In one embodiment, causing the first component and at least one second component to come into contact with each other may include pressing adjacent fiber sheets having the first component and at least one second component such that the first and at least one second components of the polymeric resin come into contact with each other. In an embodiment beyond the scope of the appended claims, applying a first component (e.g., polyurethane) of a polymeric resin and applying at least one second component (e.g., epoxy and/or thermoplastic) of the polymeric resin to the same or a different component of the composite laminate structure, and causing the first component and at least one second component to come into contact with each other may include applying the first component and at least one second component in direct contact with each other, such as in directly adjacent layers (e.g., contacting carbon fiber sheets). Such application may be by manual spreading or spraying. For example, the first component may be applied to the carbon fiber sheet on a side adjacent to the core blank and the second component may be applied to an opposite side of the fiber sheet.
Mezclar la resina polimérica antes de la aplicación puede incluir los métodos descritos en el presente documento (por ejemplo, mezclar en la bolsa, un recipiente a presión, un recipiente o un sistema de pulverización comercial). La estructura resultante puede incluir una mezcla de resina polimérica en capas o pseudocapas que tiene una capa del primer componente de la resina polimérica, una capa de al menos un segundo componente de la resina polimérica y una capa interpuesta de una mezcla del primer y al menos un segundo componente de la resina polimérica. Por ejemplo, cada capa puede tener aproximadamente un tercio de la altura de las capas que contienen resina polimérica en la pieza curada resultante. En una realización, cada capa de componente polimérico individual puede ser inferior a aproximadamente el 40 % del espesor de la sección transversal de la(s) porción(es) de la estructura laminada compuesta que incluyen las resinas poliméricas en la misma. En algunas realizaciones, el primer y al menos un segundo componente de la resina polimérica pueden mezclarse sustancialmente por completo, de modo que la estructura laminada compuesta hecha mediante tales acciones exhiba una resina polimérica curada sustancialmente homogénea a través de la misma. El método 1200 puede incluir una acción 1204 de calentar y mantener la resina polimérica a una temperatura de aplicación. La temperatura de aplicación puede incluir una temperatura configurada para proporcionar una viscosidad seleccionada a la resina polimérica, tal como una temperatura seleccionada para proporcionar una viscosidad a la resina polimérica adecuada para pulverización a baja presión. En una realización, la temperatura de aplicación puede estar entre una temperatura ambiente y una temperatura de curado de un componente (por ejemplo, uno o más de un epoxi, endurecedor o polímero) de la resina polimérica. En el caso de resinas poliméricas que incluyen termoplásticos, la temperatura de aplicación puede estar por encima de la temperatura de fusión del termoplástico. En algunas realizaciones, la temperatura de aplicación puede ser inferior a aproximadamente 100 °C, tal como menos de aproximadamente 90 °C, aproximadamente 40 °C a aproximadamente 85 °C, aproximadamente 50 °C a aproximadamente 70 °C, aproximadamente 50 °C, aproximadamente 80 °C, aproximadamente 75 °C a aproximadamente 85 °C, o aproximadamente 65 °C. Mixing the polymeric resin prior to application may include the methods described herein (e.g., mixing in a bag, a pressure vessel, a container, or a commercial spray system). The resulting structure may include a layered or pseudolayered polymeric resin mixture having a layer of the first polymeric resin component, a layer of at least one second polymeric resin component, and an intervening layer of a mixture of the first and at least one second polymeric resin components. For example, each layer may be about one-third the height of the polymeric resin-containing layers in the resulting cured part. In one embodiment, each individual polymeric component layer may be less than about 40% of the cross-sectional thickness of the portion(s) of the composite laminate structure that include the polymeric resins therein. In some embodiments, the first and at least one second component of the polymeric resin may be substantially completely mixed, such that the composite laminate structure made by such actions exhibits a substantially homogeneous cured polymeric resin therethrough. The method 1200 may include an action 1204 of heating and maintaining the polymeric resin at an application temperature. The application temperature may include a temperature set to provide a selected viscosity to the polymeric resin, such as a temperature selected to provide a viscosity to the polymeric resin suitable for low pressure spraying. In one embodiment, the application temperature may be between a room temperature and a curing temperature of a component (e.g., one or more of an epoxy, hardener, or polymer) of the polymeric resin. In the case of polymeric resins that include thermoplastics, the application temperature may be above the melting temperature of the thermoplastic. In some embodiments, the application temperature may be less than about 100°C, such as less than about 90°C, about 40°C to about 85°C, about 50°C to about 70°C, about 50°C, about 80°C, about 75°C to about 85°C, or about 65°C.
El método 1200 puede incluir una acción 1206 de aplicar la resina polimérica sobre una lámina de fibra(por ejemplo,lámina de fibra de carbono) o el núcleo. Aplicar la resina polimérica a la lámina de fibra o al núcleo puede incluir pulverizar la resina polimérica a una presión inferior a 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi) sobre una lámina de fibra y/o un molde. En una realización, pulverizar la resina polimérica a una presión inferior a 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi) puede incluir pulverizar la resina polimérica a una presión inferior a aproximadamente 482633 Pa (4,8 bares, 70 psi). The method 1200 may include an action 1206 of applying the polymeric resin onto a fiber sheet (e.g., carbon fiber sheet) or the core. Applying the polymeric resin to the fiber sheet or the core may include spraying the polymeric resin at a pressure of less than 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi) onto a fiber sheet and/or a mold. In one embodiment, spraying the polymeric resin at a pressure of less than 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi) may include spraying the polymeric resin at a pressure of less than about 482633 Pa (4.8 bar, 70 psi).
En una realización, la aplicación de la resina polimérica puede incluir extender manualmente la resina polimérica sobre una o más láminas de fibra, el núcleo o cualquier otro componente de una estructura laminada compuesta. La aplicación manual de la resina polimérica puede incluir extender manualmente la resina polimérica usando una herramienta como una paleta, un cepillo o espátula. En una realización, aplicar manualmente la resina polimérica puede incluir extender manualmente la resina polimérica haciendo rodar la resina polimérica sobre al menos una lámina o núcleo de fibra con un rodillo que lleva la resina polimérica sobre el mismo, tal como un rodillo al menos parcialmente saturado con resina polimérica. In one embodiment, applying the polymeric resin may include manually spreading the polymeric resin onto one or more fiber sheets, the core, or any other component of a composite laminate structure. Manually applying the polymeric resin may include manually spreading the polymeric resin using a tool such as a trowel, brush, or spatula. In one embodiment, manually applying the polymeric resin may include manually spreading the polymeric resin by rolling the polymeric resin onto at least one fiber sheet or core with a roller carrying the polymeric resin thereon, such as a roller at least partially saturated with polymeric resin.
En una realización, aplicar(por ejemplo,pulverizar) la resina polimérica puede incluir la aplicación de más de una capa, o más de una resina polimérica sobre una lámina de fibra o múltiples láminas de fibra(por ejemplo,láminas de fibra separadas). Por ejemplo, aplicar una resina polimérica sobre una lámina de fibra puede incluir aplicar una primera resina polimérica sobre una primera lámina de fibra de carbono y aplicar una segunda resina polimérica sobre una segunda lámina de fibra de carbono. In one embodiment, applying (e.g., spraying) the polymeric resin may include applying more than one layer, or more than one polymeric resin onto a fiber sheet or multiple fiber sheets (e.g., separate fiber sheets). For example, applying a polymeric resin onto a fiber sheet may include applying a first polymeric resin onto a first carbon fiber sheet and applying a second polymeric resin onto a second carbon fiber sheet.
El método 1200 puede incluir la acción 1208 de colocar la lámina de fibra de carbono en una pluralidad de celdas, extendiéndose la lámina de fibra de carbono a través de los extremos abiertos de las celdas. Las celdas pueden ser similares o idénticas a cualquier celda(por ejemplo,tubos) descritos en el presente documento, tales como estar definidos al menos parcialmente por una pluralidad de tubos de policarbonato. La colocación de la lámina de fibra de carbono puede incluir la colocación de más de una lámina de fibra de carbono, tal como dos láminas de fibra de carbono en lados opuestos del núcleo. En una realización, colocar la lámina de fibra de carbono puede incluir colocar la lámina de fibra de carbono en un molde y colocar un núcleo adyacente al mismo(porejemplo,encima o debajo de la lámina de fibra de carbono). The method 1200 may include the action 1208 of placing the carbon fiber sheet into a plurality of cells, with the carbon fiber sheet extending across the open ends of the cells. The cells may be similar or identical to any cells (e.g., tubes) described herein, such as being at least partially defined by a plurality of polycarbonate tubes. Placing the carbon fiber sheet may include placing more than one carbon fiber sheet, such as two carbon fiber sheets on opposite sides of the core. In one embodiment, placing the carbon fiber sheet may include placing the carbon fiber sheet in a mold and placing a core adjacent thereto (e.g., above or below the carbon fiber sheet).
El método 1200 puede incluir la acción 1210 de curar la resina polimérica aplicada sobre la lámina de fibra de carbono, por ejemplo, durante menos de aproximadamente 10 minutos. En algunas realizaciones, el curado de la resina polimérica se puede llevar a cabo después de colocarla según la acción 1208. En una realización, curar la resina polimérica puede incluir calentar la resina polimérica, el laminado compuesto o el sándwich compuesto, tal como en un molde, u horno. El calentamiento de la resina polimérica se puede llevar a cabo a aproximadamente 110 °C o más, tal como aproximadamente 120 °C a aproximadamente 200 °C, aproximadamente 130 °C a aproximadamente 180 °C, aproximadamente 140 °C a aproximadamente 160 °C, aproximadamente 120 °C, aproximadamente 130 °C, aproximadamente 140 °C, o aproximadamente 160 °C. En algunas realizaciones, el calentamiento de la resina polimérica se puede realizar durante cualquier tiempo de curado adecuado descrito en el presente documento. The method 1200 may include the action 1210 of curing the polymeric resin applied onto the carbon fiber sheet, for example, for less than about 10 minutes. In some embodiments, curing the polymeric resin may be performed after it is positioned according to action 1208. In one embodiment, curing the polymeric resin may include heating the polymeric resin, the composite laminate, or the composite sandwich, such as in a mold, or oven. Heating the polymeric resin may be performed at about 110° C. or more, such as about 120° C. to about 200° C., about 130° C. to about 180° C., about 140° C. to about 160° C., about 120° C., about 130° C., about 140° C., or about 160° C. In some embodiments, heating the polymeric resin may be performed for any suitable curing time described herein.
En algunas realizaciones, el método 1200 puede incluir colocar la lámina de fibra de carbono en un núcleo antes del curado; incluyendo el núcleo cualquier material o configuración para un núcleo descrito en el presente documento, tal como una pluralidad de tubos de policarbonato muy empaquetados. En algunas realizaciones, el método 1200 puede incluir disponer una o más de las láminas de fibra de carbono, resina polimérica o componentes de las mismas, o núcleo en un molde y aplicar presión para cerrar al menos parcialmente el molde para formar una estructura laminada compuesta que tiene la forma del molde y/o colapsar al menos parcialmente el núcleo. En una realización, se puede aplicar calor simultáneamente para calentar al menos parcialmente una o más de la resina polimérica, el carbono láminas de fibra o el núcleo. Por ejemplo, el núcleo puede volverse más flexible tras la aplicación de calor durante el prensado, de modo que el núcleo al menos parcialmente se ablande o se funda, mientras se comprime para aumentar la conformidad con la forma del molde. La resina polimérica puede al menos comenzar a curarse mediante la aplicación de calor en el molde. In some embodiments, the method 1200 may include placing the carbon fiber sheet into a core prior to curing; the core including any material or configuration for a core described herein, such as a plurality of closely packed polycarbonate tubes. In some embodiments, the method 1200 may include arranging one or more of the carbon fiber sheets, polymeric resin or components thereof, or core into a mold and applying pressure to at least partially close the mold to form a composite laminate structure having the shape of the mold and/or at least partially collapse the core. In one embodiment, heat may be simultaneously applied to at least partially heat one or more of the polymeric resin, carbon fiber sheets, or core. For example, the core may become more flexible upon application of heat during pressing, such that the core at least partially softens or melts, while being compressed to increase conformity to the shape of the mold. The polymeric resin may at least be started to cure by the application of heat in the mold.
FIG. 13 es un diagrama de flujo de un método para formar una estructura laminada compuesta de acuerdo con realizaciones de la presente divulgación. El método 1300 puede incluir la eliminación de una pila(por ejemplo,conjunto precursor de laminado compuesto) de una primera lámina de fibras, un núcleo y una segunda lámina de fibras en un molde, en la acción 1302. Por ejemplo, cada lámina de fibras puede incluir una, dos o más láminas de fibras individuales unidas entre sí. En una realización, disponer una primera lámina de fibra, un núcleo y una segunda lámina de fibra en un molde puede incluir impregnar una o más láminas de fibra con una resina polimérica. En una realización, cada una de la primera y segunda láminas de fibra se puede impregnar con una resina polimérica o componente de la misma pulverizando y/o extendiendo manualmente la resina polimérica sobre cada lámina de fibra antes o después de desecharla en el molde. La resina polimérica puede incluir cualquier resina polimérica descrita en el presente documento. En una realización, diferentes laminados compuestos(por ejemplo,diferentes capas de láminas de fibras) pueden incluir resinas poliméricas iguales o diferentes que los laminados compuestos adyacentes. Por ejemplo, en una realización, los laminados compuestos adyacentes a la cavidad del molde pueden incluir una resina polimérica que tiene una mayor cantidad de epoxi (o sólo epoxi) en su interior para impartir una característica de impermeabilidad al agua al sándwich compuesto resultante. En una realización, uno o más laminados compuestos pueden incluir una resina polimérica que tiene un retardante de fuego(por ejemplo,epoxi fenólico). En una realización, uno o más laminados compuestos próximos al núcleo pueden incluir una resina polimérica que tiene una mayor cantidad de poliuretano (o solo poliuretano) en el mismo para proporcionar una cantidad deseada de unión entre la resina polimérica y el núcleo. FIG. 13 is a flow diagram of a method for forming a composite laminate structure in accordance with embodiments of the present disclosure. The method 1300 may include removing a stack (e.g., composite laminate precursor assembly) of a first fiber sheet, a core, and a second fiber sheet into a mold, in action 1302. For example, each fiber sheet may include one, two, or more individual fiber sheets bonded together. In one embodiment, disposing a first fiber sheet, a core, and a second fiber sheet into a mold may include impregnating one or more fiber sheets with a polymeric resin. In one embodiment, each of the first and second fiber sheets may be impregnated with a polymeric resin or component thereof by manually spraying and/or spreading the polymeric resin onto each fiber sheet before or after it is disposed into the mold. The polymeric resin may include any polymeric resin described herein. In one embodiment, different composite laminates (e.g., different layers of fiber sheets) may include the same or different polymeric resins than adjacent composite laminates. For example, in one embodiment, the composite laminates adjacent to the mold cavity may include a polymeric resin having a greater amount of epoxy (or only epoxy) therein to impart a water impermeability characteristic to the resulting composite sandwich. In one embodiment, one or more composite laminates may include a polymeric resin having a fire retardant (e.g., phenolic epoxy). In one embodiment, one or more composite laminates proximate the core may include a polymeric resin having a greater amount of polyurethane (or only polyurethane) therein to provide a desired amount of bonding between the polymeric resin and the core.
En una realización, el método 1300 puede incluir la aplicación de una resina polimérica sobre al menos una lámina de fibra de carbono, por ejemplo, mediante pulverización o extensión manual. En una realización, la pulverización de la resina polimérica se puede realizar a una presión inferior a aproximadamente 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi) sobre al menos una lámina de fibra. En una realización, aplicar(porejemplo,pulverizar o esparcir manualmente) una resina polimérica sobre al menos una lámina de fibra puede incluir pulverizar una resina polimérica sobre una primera lámina de fibra de carbono y una o más láminas de fibra de carbono adicionales. En una realización, el método puede incluir colocar una o más láminas de fibra de carbono en el núcleo, tal como en el mismo lado(por ejemplo,una configuración en capas) y/o en lados opuestos del mismo. Por ejemplo, el método puede incluir aplicar una resina polimérica sobre una primera lámina de fibra de carbono y una segunda lámina de fibra de carbono para impregnar al menos parcialmente las láminas de fibra con la resina polimérica. El método puede incluir además colocar la primera lámina de fibra de carbono en un primer lado del núcleo adyacente a los extremos abiertos del núcleo y la segunda lámina de fibra de carbono en el segundo lado del núcleo opuesto al primer lado. Tal posicionamiento puede realizarse antes o después de que las láminas de fibra de carbono hayan sido impregnadas al menos parcialmente con la resina polimérica. En una realización, la segunda lámina de fibra de carbono puede colocarse encima de la primera lámina de fibra de carbono. En una realización, la primera lámina de fibra de carbono y/o la segunda lámina de fibra de carbono pueden incluir fibras discontinuas orientadas aleatoriamente, fibras continuas o un NCF de fibra de carbono. In one embodiment, the method 1300 may include applying a polymeric resin onto at least one carbon fiber sheet, for example, by spraying or manually spreading. In one embodiment, spraying the polymeric resin may be performed at a pressure of less than about 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi) onto at least one fiber sheet. In one embodiment, applying (e.g., manually spraying or spreading) a polymeric resin onto at least one fiber sheet may include spraying a polymeric resin onto a first carbon fiber sheet and one or more additional carbon fiber sheets. In one embodiment, the method may include placing one or more carbon fiber sheets in the core, such as on the same side (e.g., a layered configuration) and/or on opposite sides thereof. For example, the method may include applying a polymeric resin onto a first carbon fiber sheet and a second carbon fiber sheet to at least partially impregnate the fiber sheets with the polymeric resin. The method may further include positioning the first carbon fiber sheet on a first side of the core adjacent to the open ends of the core and the second carbon fiber sheet on the second side of the core opposite the first side. Such positioning may be performed before or after the carbon fiber sheets have been at least partially impregnated with the polymeric resin. In one embodiment, the second carbon fiber sheet may be positioned on top of the first carbon fiber sheet. In one embodiment, the first carbon fiber sheet and/or the second carbon fiber sheet may include randomly oriented staple fibers, continuous fibers, or a carbon fiber NCF.
El método de preparación y aplicación de(por ejemplo,pulverización) la resina puede ser similar o idéntica a los métodos de preparación y pulverización de resinas poliméricas descritas anteriormente. El método de preparación y/o aplicación del polímero de la resina polimérica(por ejemplo,pulverización) puede reducir significativamente la presión necesaria para hacer fluir la resina polimérica al molde e impregnar las fibras, como en el molde de transferencia de resina. En algunas realizaciones, el núcleo puede ser un núcleo "duro", por ejemplo, que incluye una pluralidad de tubos unidos entre sí y que tienen un primer extremo abierto y un segundo extremo abierto, tales como tubos de policarbonato. La cavidad del molde puede formarse a partir de una puerta de molde inferior y una puerta de molde superior. En algunas realizaciones, el núcleo puede ser un núcleo "blando". The method of preparing and applying (e.g., spraying) the resin may be similar or identical to the methods of preparing and spraying polymeric resins described above. The method of preparing and/or applying the polymeric resin (e.g., spraying) may significantly reduce the pressure required to flow the polymeric resin into the mold and impregnate the fibers, such as in resin transfer molding. In some embodiments, the core may be a "hard" core, for example, including a plurality of tubes joined together and having a first open end and a second open end, such as polycarbonate tubes. The mold cavity may be formed from a lower mold gate and an upper mold gate. In some embodiments, the core may be a "soft" core.
El método 1300 también puede incluir disponer un NCF o una tela tejida sobre una de la primera lámina de fibra y la segunda lámina de fibra en el molde en la acción 1304. El FNC puede fortalecer el compuesto. El NCF también puede reducir la impresión desde el núcleo compuesto. El NCF puede mejorar aún más la calidad de la superficie laminada y mejorar la estética. The method 1300 may also include disposing an NCF or woven fabric over one of the first fiber sheet and the second fiber sheet in the mold in action 1304. The NCF may strengthen the composite. The NCF may also reduce printing from the composite core. The NCF may further improve the quality of the laminated surface and enhance aesthetics.
El método 1300 puede incluir además cerrar el molde en la acción 1306. Cerrar el molde puede incluir la aplicación de una presión externa al molde, tal como para comprimir uno o más componentes en el mismo. El método 1300 también puede incluir opcionalmente aspirar la cavidad del molde en la acción 1308. Por ejemplo, puede ser deseable aspirar el molde para eliminar el aire atrapado en las fibras discontinuas orientadas aleatoriamente cuando el laminado compuesto está formado por fibras discontinuas. Por el contrario, las fibras continuas pueden no atrapar aire tanto como las fibras discontinuas, de modo que puede no ser necesario aspirar el molde cuando el laminado compuesto está formado por fibras continuas. El método 1300 también puede incluir curar la resina polimérica para formar un componente compuesto en la acción 1310. Curar la resina polimérica puede incluir calentar la lámina de fibra que tiene la resina polimérica en ella o sobre ella(por ejemplo,un laminado compuesto al menos parcialmente formado o un precursor del mismo tal como una pila) que contiene la resina polimérica en el molde o fuera del molde a aproximadamente 110 °C o más, tal como aproximadamente 120 °C a aproximadamente 200 °C, aproximadamente 130 °C a aproximadamente 180 °C, aproximadamente 140 °C a aproximadamente 160 °C, aproximadamente 120 °C, aproximadamente 130 °C, aproximadamente 140 °C o aproximadamente 160 °C. El curado de la resina polimérica puede tener lugar durante una duración de aproximadamente 40 segundos o más, tal como de aproximadamente 40 segundos a aproximadamente 1 día, de aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 12 horas, de aproximadamente 90 segundos a aproximadamente 8 horas, de aproximadamente 2 minutos a aproximadamente 4 horas, aproximadamente 40 segundos a aproximadamente 10 minutos, aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 8 minutos, aproximadamente 90 segundos a aproximadamente 5 minutos, aproximadamente 3 minutos, aproximadamente 6 minutos o menos, o aproximadamente 8 minutos o menos. En una realización, el calentamiento/curado de la resina polimérica se puede realizar parcialmente en el molde y luego se puede completar en una ubicación diferente(porejemplo,horno). El componente compuesto curado resultante puede tener cualquier forma determinada por el molde. Method 1300 may further include closing the mold at action 1306. Closing the mold may include applying external pressure to the mold, such as to compress one or more components therein. Method 1300 may also optionally include aspirating the mold cavity at action 1308. For example, it may be desirable to aspirate the mold to remove air entrapped in randomly oriented staple fibers when the composite laminate is formed from staple fibers. Conversely, continuous fibers may not entrap air as much as staple fibers, so it may not be necessary to aspirate the mold when the composite laminate is formed from continuous fibers. The method 1300 may also include curing the polymeric resin to form a composite component in action 1310. Curing the polymeric resin may include heating the fiber sheet having the polymeric resin in or on it (e.g., an at least partially formed composite laminate or a precursor thereof such as a stack) containing the polymeric resin in the mold or outside the mold to about 110° C. or more, such as about 120° C. to about 200° C., about 130° C. to about 180° C., about 140° C. to about 160° C., about 120° C., about 130° C., about 140° C., or about 160° C. Curing of the polymeric resin may take place for a duration of about 40 seconds or more, such as about 40 seconds to about 1 day, about 1 minute to about 12 hours, about 90 seconds to about 8 hours, about 2 minutes to about 4 hours, about 40 seconds to about 10 minutes, about 1 minute to about 8 minutes, about 90 seconds to about 5 minutes, about 3 minutes, about 6 minutes or less, or about 8 minutes or less. In one embodiment, heating/curing of the polymeric resin may be partially performed in the mold and then completed at a different location (e.g., oven). The resulting cured composite component may have any shape determined by the mold.
En algunas realizaciones, un sándwich compuesto puede incluir uno o más núcleos, tal como tener más de un núcleo separado por una o más capas laminadas compuestas. Por ejemplo, un sándwich compuesto puede incluir un núcleo "duro" de tubos de plástico circulares unidos y una capa laminada compuesta a cada lado del mismo. El sándwich compuesto puede incluir un núcleo "blando" adicional de cartón adyacente a una capa laminada compuesta sobre el primer núcleo "duro". El núcleo blando puede incluir al menos una capa laminada compuesta más en el lado opuesto al núcleo duro. En tales realizaciones, una tenacidad deseada(por ejemplo,resiliencia y/o dureza) y se puede lograr amortiguación del sonido. En algunas realizaciones, un sándwich compuesto puede incluir una o más capas laminadas compuestas que tienen una o más láminas de fibra que incluyen una o más resinas poliméricas diferentes o idénticas, respectivamente. Por ejemplo, en una realización que va más allá del alcance de las reivindicaciones adjuntas, un sándwich compuesto puede incluir un núcleo que tiene una lámina de fibra de carbono sobre el mismo, la lámina de fibra de carbono puede incluir una resina de polímero de poliuretano en su interior, y la lámina de fibra de carbono puede estar adyacente. a otra lámina de fibra de carbono que tiene un epoxi en su interior. En tales realizaciones que van más allá del alcance de las reivindicaciones anexas, el poliuretano se puede aplicar a la pila en el molde por separado del epoxi en una capa adyacente. La estructura laminada compuesta resultante puede presentar la absorción de energía, los perfiles de rotura, la resistencia al agua y/o la absorción acústica deseados. In some embodiments, a composite sandwich may include one or more cores, such as having more than one core separated by one or more composite laminate layers. For example, a composite sandwich may include a "hard" core of bonded circular plastic tubes and a composite laminate layer on either side thereof. The composite sandwich may include an additional "soft" core of cardboard adjacent to a composite laminate layer over the first "hard" core. The soft core may include at least one more composite laminate layer on the side opposite the hard core. In such embodiments, a desired toughness (e.g., resilience and/or hardness) and sound dampening may be achieved. In some embodiments, a composite sandwich may include one or more composite laminate layers having one or more fiber sheets that include one or more different or identical polymeric resins, respectively. For example, in one embodiment beyond the scope of the appended claims, a composite sandwich may include a core having a carbon fiber sheet thereon, the carbon fiber sheet may include a polyurethane polymer resin therein, and the carbon fiber sheet may be adjacent to another carbon fiber sheet having an epoxy therein. In such embodiments beyond the scope of the appended claims, the polyurethane may be applied to the stack in the mold separately from the epoxy in an adjacent layer. The resulting composite laminate structure may exhibit the desired energy absorption, break profiles, water resistance, and/or sound absorption.
En una realización, disponer una pila de una primera lámina de fibra, un núcleo y una segunda lámina de fibra en un molde, y pulverizar la resina polimérica a una presión de menos de aproximadamente 620528 Pa (6,2 bar, 90 psi) puede incluir pulverizar un material de carga en polvo en un molde, colocando una primera lámina de fibra sobre el mismo, pulverizando una primera resina polimérica (por ejemplo, un epoxi) sobre la primera lámina de fibra de carbono, colocar una segunda lámina de fibra de carbono sobre la primera lámina de fibra de carbono, pulverizar una segunda resina polimérica (por ejemplo, poliuretano) sobre la segunda lámina de fibra de carbono, y colocar un núcleo en contacto con la segunda lámina de fibra de carbono. La pila puede tener la composición en capas de una primera resina polimérica sobre una primera lámina de fibra de carbono, sobre una segunda resina polimérica sobre una segunda lámina de fibra de carbono, sobre un núcleo. Se puede disponer la misma configuración o una diferente en el lado opuesto del núcleo. Las resinas poliméricas, láminas de fibra de carbono y/o núcleo pueden ser similares o idénticas a cualquier resina polimérica, lámina de fibra de carbono o núcleo descrito en el presente documento. En algunas realizaciones, se puede disponer un material de carga sobre el molde antes de disponer cualquier porción del laminado compuesto en el mismo. Por ejemplo, se puede pulverizar una fina capa de material de carga sobre el molde antes de colocar las láminas de fibra de carbono en el mismo. El material de carga puede incorporarse a la resina polimérica posteriormente pulverizada en el mismo (en su superficie) y servir para reducir la contracción al menos en la superficie del laminado compuesto formado allí sin comprometer las propiedades mecánicas en masa del laminado compuesto. In one embodiment, arranging a stack of a first fiber sheet, a core, and a second fiber sheet in a mold, and spraying the polymeric resin at a pressure of less than about 620528 Pa (6.2 bar, 90 psi) may include spraying a powdered filler material into a mold, placing a first fiber sheet thereon, spraying a first polymeric resin (e.g., an epoxy) onto the first carbon fiber sheet, placing a second carbon fiber sheet on the first carbon fiber sheet, spraying a second polymeric resin (e.g., polyurethane) onto the second carbon fiber sheet, and placing a core in contact with the second carbon fiber sheet. The stack may have the layered composition of a first polymeric resin on a first carbon fiber sheet, on a second polymeric resin on a second carbon fiber sheet, on a core. The same or a different configuration may be arranged on the opposite side of the core. The polymeric resins, carbon fiber sheets, and/or core may be similar or identical to any polymeric resin, carbon fiber sheet, or core described herein. In some embodiments, a filler material may be disposed on the mold prior to disposing any portion of the composite laminate therein. For example, a thin layer of filler material may be sprayed onto the mold prior to placing the carbon fiber sheets therein. The filler material may be incorporated into the polymeric resin subsequently sprayed thereon (on its surface) and serve to reduce shrinkage at least at the surface of the composite laminate formed therein without compromising the bulk mechanical properties of the composite laminate.
Los sándwiches compuestos aquí descritos pueden tener buena absorción acústica, buen aislamiento térmico, alta rigidez a la flexión, alta absorción de energía y peso ligero. Los sándwiches compuestos se pueden usar en diversas aplicaciones, incluida la industria automotriz (por ejemplo, chasis, capó de automóvil, partes de carrocería y similares), otros vehículos (por ejemplo, camiones), equipos de agricultura, bicicletas, aplicaciones satelitales, aplicaciones aeroespaciales, materiales de construcción (por ejemplo, materiales de construcción y similares), productos de consumo (por ejemplo, muebles, asientos de inodoro y productos electrónicos, entre otros). The composite sandwiches described herein may have good sound absorption, good thermal insulation, high bending rigidity, high energy absorption and light weight. The composite sandwiches may be used in various applications including automotive industry (e.g. chassis, automobile hood, body parts and the like), other vehicles (e.g. trucks), agricultural equipment, bicycles, satellite applications, aerospace applications, building materials (e.g. building materials and the like), consumer products (e.g. furniture, toilet seats and electronic products, among others).
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